istanbul aydın üniversitesi fen bilimleri enstitüsü

T.C.
İSTANBUL AYDIN ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YABANCI UYARTIMLI İLE FIRÇASIZ DC MOTORLARIN HIZ VE TORK
KARAKTERİSTİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Hüseyin Cem BAYRAKTAR
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Programı
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Hasan Hüseyin BALIK
AĞUSTOS-2015
T.C.
İSTANBUL AYDIN ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YABANCI UYARTIMLI İLE FIRÇASIZ DC MOTORLARIN HIZ VE TORK
KARAKTERİSTİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Hüseyin Cem BAYRAKTAR
(Y.1313.100001)
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Programı
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Hasan Hüseyin BALIK
AĞUSTOS 2015
İSTANBUL AYDIN ÜNİVERSİTESİ, Fen Bilimleri Enstitüsü’nün Y.1313.100001
numaralı Yüksek Lisans Öğrencisi Hüseyin Cem BAYRAKTAR, ilgili
yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten sonra hazırladığı
“Yabancı Uyartımlı ile Fırçasız DC Motorların Hız ve Tork Karakteristiklerinin
Karşılaştırılması” başlıklı tezini aşağıda imzaları olan jüri önünde başarı ile
sunmuştur.
Tez Danışmanı
:
Prof. Dr. Hasan Hüseyin BALIK
İstanbul Aydın Üniversitesi
Jüri Üyeleri
:
Prof. Dr. Osman Nuri UÇAN
İstanbul Aydın Üniversitesi
:
Yrd. Doç. Dr. Vehbi Bölat
İstanbul Arel Üniversitesi
Teslim Tarihi
Savunma Tarihi
: 13.07.2015
: 18.08.2015
iii
iv
YEMİN METNİ
Yüksek Lisans Tezi olarak sunduğum, “Yabancı Uyartımlı ile Fırçasız DC
Motorların Hız ve Tork Karakteristiklerinin Karşılaştırılması” adlı çalışmanın,
tezin proje safhasından sonuçlanmasına kadarki bütün süreçlerde, bilimsel ahlâk ve
geleneklere aykırı düşecek bir yardıma başvurulmaksızın yazıldığını ve
yararlandığım eserlerin Bibliyografya’da gösterilenlerden oluştuğunu, bunlara atıf
yapılarak yararlanılmış olduğunu belirtir ve onurumla beyan ederim. (13 / 07 / 2015)
Hüseyin Cem Bayraktar
v
vi
ÖNSÖZ
Tez çalışmam boyunca, bana yardımcı olup yol gösteren tez danışmanım Sayın
Prof. Dr. Hasan Hüseyin Balık’a ve Aydın Üniversitesi’nde yüksek lisans eğitimim
süresince bana emeği geçen tüm öğretim üyelerine çok teşekkür ederim.
Yaşamım ve yoğun çalışmalarımın geçtiği yüksek lisans eğitimi ile tez hazırlama
sürecim içerisinde, bana her zaman destek olan, anlayış gösteren sevgili eşime,
biricik kızıma ve beni seven tüm dostlarıma sonsuz şükranlarımı sunarım.
Ağustos-2015
Hüseyin Cem BAYRAKTAR
vii
viii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖNSÖZ.................................................................................................................viiii
İÇİNDEKİLER ..........................................................................................................ix
KISALTMALAR ...................................................................................................xiiiii
ÇİZELGE LİSTESİ ..................................................................................................xv
ŞEKİL LİSTESİ ..................................................................................................xviiii
SEMBOL LİSTESİ .................................................................................................xxi
ÖZET ....................................................................................................................xxv
ABSTRACT .......................................................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.ii
1. GİRİŞ................................................................................................................... 1
1.1 Tezin Amacı ................................................................................................... 4
1.2 Literatür Araştırması....................................................................................... 5
1.3 Tez Düzeni ..................................................................................................... 7
2. FIRÇALI VE FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORLARININ TANITIMI ................... 9
2.1 Giriş ............................................................................................................... 9
2.2 BDC Motorların Yapısı ..................................................................................10
2.2.1 Stator .....................................................................................................11
2.2.2 Rotor ......................................................................................................12
2.2.3 Fırçalar ve kollektör ................................................................................12
2.3 BDC Motorların Çalışma Prensibi..................................................................13
2.4 BDC Motorların Eşdeğer Devresi ..................................................................16
2.5 BDC Motorların Çeşitleri ...............................................................................18
2.5.1 Yabancı uyartımlı BDC motorlar .............................................................18
2.5.2 Şönt uyartımlı BDC motorlar...................................................................23
2.5.3 Seri uyartımlı BDC motorlar....................................................................28
2.5.4 Kompunt uyartımlı BDC motorlar ............................................................33
2.5.5 Kalıcı mıknatıslı BDC motorlar ...............................................................37
2.6 Bazı BDC Motorların Karşılaştırılması ...........................................................41
2.7 BDC Motorların Olumlu ve Olumsuz Yönleri .................................................41
ix
2.8 BDC Motorların Hız Kontrolü ........................................................................ 43
2.8.1 Endüvi voltajı kontrolü ............................................................................ 43
2.8.2 Alan kontrolü ( ) .................................................................................... 44
2.8.3 Endüvi direnci kontrolü........................................................................... 45
2.8.4 Motorlara uygulanacak doğru gerilimin sağlanması ............................... 45
2.9 BLDC Motorların Tanımı ve Özellikleri .......................................................... 52
2.10 BLDC Motorların Kullanım Alanları ............................................................. 54
2.11 BLDC Motor ve Sürücü Sistemi Yapısı ...................................................... 54
2.11.1 Stator ................................................................................................... 55
2.11.2 Rotor .................................................................................................... 56
2.11.3 Geri besleme üniteleri .......................................................................... 57
2.11.4 Evirici ve sürücü katmanı (güç dönüştürücüsü) .................................... 64
2.11.5 Denetleyici (kontrolör) .......................................................................... 72
2.12 Fırçasız DC Motor Çeşitleri ......................................................................... 72
2.12.1 Dış rotorlu fırçasız dc motorlar ............................................................. 72
2.12.2 Disk tipi fırçasız dc motorlar ................................................................. 73
2.12.3 İç rotorlu fırçasız dc motorlar................................................................ 74
2.13 Fırçasız DC Motorların Olumlu ve Olumsuz Yönleri .................................... 76
2.14 Fırçasız DC Motorların Çalışma Prensibi .................................................... 77
2.14 Fırçasız DC Motorların Kontrolü.................................................................. 79
2.14.1 Klasik kontrol yöntemleri ...................................................................... 80
2.14.2 Modern kontrol yöntemleri.................................................................... 81
2.15 Fırçalı ve Fırçasız DC Motorların Karşılaştırılması ...................................... 85
3. YABANCI UYARTIMLI VE FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORLARININ
MATEMATİKSEL MODELLERİ İLE MATLAB/SIMULİNK ORTAMINDA
SİMÜLASYONU ..................................................................................................... 87
3.1 Giriş .............................................................................................................. 87
3.2 Yabancı Uyartımlı DC Motorun Matematiksel Modellemesi ve Simülasyonu . 87
3.2.1.1 Yabancı uyartımlı dc motorun ikaz kontrollü olarak matematiksel
modellemesi, simülasyonu ve sistemin kararlılığının kontrolü ..................... 88
3.2.1.2 Yabancı uyartımlı dc motorun ikaz kontrollü olarak çalıştırılmasında
pi kontrolör kullanarak hız ve tork kontrolünün gerçekleştirilmesi ................ 97
3.2.2.1 Yabancı uyartımlı dc motorun armatür kontrollü olarak matematiksel
modellemesi, simülasyonu ve sistemin kararlılığının kontrolü ................... 104
3.2.2.2 Yabancı uyartımlı dc motorun armatür kontrollü olarak
çalıştırılmasında pi kontrolör kullanarak hız ve tork kontrolünün
gerçekleştirilmesi ...................................................................................... 113
3.3 Fırçasız DC Motorun Matematiksel Modellemesi ve Simülasyonu .............. 117
3.3.1 BLDC motorun matematiksel modelinin elde edilmesi.......................... 117
3.3.2 BLDC motor sürücüsünün matematiksel modelinin elde edilmesi ........ 119
4. SONUÇLAR ..................................................................................................... 127
4.1 Giriş ............................................................................................................ 127
4.2 Simülasyon Sonuçlarının Değerlendirilmesi ................................................ 127
4.2.1 İkaz kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun simülasyon sonuçları
değerlendirmesi ............................................................................................ 127
4.2.2 Armatür kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun simülasyon sonuçları
değerlendirmesi ............................................................................................ 128
x
4.2.3 İkaz kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun pi kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simülasyon sonuçları değerlendirmesi........................................129
4.2.4 Armatür kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun pi kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simülasyon sonuçları değerlendirmesi........................................130
4.2.5 BLDC motorun pi kontrolörleriyle yapılan denetiminin simülasyon
sonuçları değerlendirmesi .............................................................................130
4.2.6 Yabancı uyartımlı dc motor ile BLDC motorun pi kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simülasyon sonuçlarının karşılaştırılması ...................................131
KAYNAKLAR .......................................................................................................133
ÖZGEÇMİŞ ..........................................................................................................139
xi
xii
KISALTMALAR
BLDC
: Fırçasız Doğru Akım (Brushless Direct Current)
BDC
: Fırçalı Doğru Akım (Brush or Brushed Direct Current)
SMSM
: Sürekli Mıknatıslı
Synchronous Motor)
SMFDAM
: Sürekli Mıknatıslı Fırçasız Doğru Akım Motoru (Permanent Magnet
Brushless Direct Current Motor)
DC
: Doğru Akım (Direct Current)
AC
: Alternatif Akım (Alternative Current)
PID
: Oransal-İntegral ve Türev Kontrol (Proportional-Integral and
Derivative Control)
PI
: Oransal-İntegral Kontrol (Proportional-Integral Control)
PD
: Oransal-Türev Kontrol Proportional-Derivative Control)
LQR
: Lineer Karesel Kontrol (Linear Quadratic Control)
MRAC
: Model referans adaptif kontrol (Model reference adaptive control)
EMK
: Elektromotor kuvvet
MMK
: Mıknatıs Magnetik Gerilimi
PWM
: Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse Width Modulation)
DGA
: Darbe Genişlik Ayarı
PIC
: Giriş-Çıkış İşlemcisi (Pripheral Interface Controller)
MATLAB
: “Matris laboratuvarı” kelimelerinin ilk üç harfinden oluşan teknik bir
programlama dili.
SIMULINK
: MATLAB içinde dinamik sistemleri modellemeye ve simülasyonunu
gerçekleştirmeye yarayan bir yazılım ortamı.
H-BRIDGE
: H Köprüsü, DC Motorun yön kontrolünü gerçekleştirmek için
geliştirilen yöntem.
CD
: “Compact Disc” , küçük, taşınabilir, yuvarlak boyutlarda, elektronik
kayıt, yedekleme, ses, video ve bilgisayar verilerini sayısal bir
formatta saklayan optik medya.
DVD
: “Digital Video Disc” CD’ye göre daha hızlı ve daha fazla veri
barındıran yeni nesil optik depolama teknolojisi.
SCADA
: “Supervisory Control and Data Acquisition” kelimelerinin baş
harflerinden oluşan Türkçesi “Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama
Sistemi”.
MOSFET
: Metal-Oksit Yarı İletkenli Alan Etkili Transistör (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor)
Senkron
xiii
Motorlar
(Permanent
Magnet
IGBT
: Kapı İzoleli Bipolar Transistör (Insulated-Gate Bipolar Transistor)
HP
: Beygir gücü (Güç birimi)
xiv
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa
Çizelge 2.1
: Bazı BDC motorların karşılaştırılması.
Çizelge 2.2
: Sensör bilgisine, rotor konumuna tekabül eden anahtar durumları.79
Çizelge 2.3
: BLDC ve BDC motorların karşılaştırılması.
Çizelge 3.1
: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun karakteristik
denklemine ait Routh-Hurwitz Tablosu.
Çizelge 3.2
Çizelge 3.3
41
85-86
97
: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun karakteristik
denklemine ait Routh-Hurwitz Tablosu.
113
: BLDC sürücü sisteminin parametreleri.
122
xv
xvi
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa
Şekil 2.1
: Oyuncaklar için kullanılan mikro BDC motor.
9
Şekil 2.2
: Fırçasız DC motor örnekleri.
9
Şekil 2.3
: Bir BDC motor yapısı.
10
Şekil 2.4
: Basit iki kutuplu BDC motor.
10
Şekil 2.5
: BDC motorun statorunda elektromanyetik sargılar.
11
Şekil 2.6
: BDC motorun statorunda kalıcı mıknatıslar.
11
Şekil 2.7
: Kalıcı mıknatıslı BDC motora genel bir bakış.
12
Şekil 2.8
: Manyetik alan altında hareket yönleri.
13
Şekil 2.9
: Sol el üç parmak kuralı.
14
Şekil 2.10
: Basit olarak bir DC motorun çalışması.
14
Şekil 2.11
: DC motorun endüvi sargısında endüklenen voltaj.
15
Şekil 2.12
: DC motorun endüvi devresi modeli.
16
Şekil 2.13
: DC motorun uyartım devresi modeli.
17
Şekil 2.14
: Yabancı uyartımlı BDC motor eşdeğer devresi.
19
Şekil 2.15
: Yabancı uyartımlı BDC motorun tork-hız karakteristikleri.
20
Şekil 2.16
: Yabancı uyartımlı BDC motorun ve mekaniki yükün etkileşimi.
21
Şekil 2.17
: Yabancı uyartımlı BDC motorda güç akışı.
22
Şekil 2.18
: Şönt uyartımlı BDC motor eşdeğer devresi.
23
Şekil 2.19
: Şönt uyarmalı BDC motorda endüvi gücü-akımı ilişkisi.
25
Şekil 2.20
: Şönt uyarmalı BDC motorda endüvi momentinin endüvi akımı ile
değişimi
25
Şekil 2.21
: Şönt uyarmalı BDC motor devir sayısının endüvi akımı (veya
momenti) ile değişimi
26
Şekil 2.22
: Seri uyartımlı BDC motor eşdeğer devresi.
28
Şekil 2.23
: Seri uyartımlı BDC motor endüvisinde üretilen gücün endüvi akımı
ile değişimi.
29
Şekil 2.24
: Seri uyartımlı BDC motorun endüvi akımı ile çıkış ve endüvi
gücünün değişimleri.
30
Şekil 2.25
: Seri uyartımlı BDC motor endüvi momenti-akımı ilişkisi.
31
Şekil 2.26
: Seri uyartımlı BDC motorun endüvi akımı ile devir sayısı değişimi.31
xvii
Şekil 2.27
: Seri uyartımlı BDC motorun moment-hız karakteristiği.
32
Şekil 2.28
: Uzun şönt kompunt BDC motor devresi.
34
Şekil 2.29
: Değişik bağlantılı DC motorlar için üretilen moment-endüvi akımı
eğrilerinin karşılaştırılması.
35
Şekil 2.30
: Değişik bağlantılı DC motorlar için hız-endüvi akımı eğrilerinin
karşılaştırılması.
36
Şekil 2.31
: Kalıcı mıknatıslı bir doğru akım makinasının yapısı.
38
Şekil 2.32
: Kalıcı mıknatıslı bir doğru akım makinasının eşdeğer devresi.
38
Şekil 2.33
: Kalıcı mıknatıslı BDC motorun hız-moment, akım-moment
karakteristikleri.
39
Şekil 2.34
: Farklı kaynak gerilimlerindeki hız-moment karakteristikleri.
40
Şekil 2.35
: Farklı endüvi devresi dirençlerindeki hız-moment karakteristikleri. 40
Şekil 2.36
: Uygulanan voltajla hızın değişimi.
Şekil 2.37
: Yabancı uyartımlı DC motorda reosta kullanılarak uyartım akımının
değiştirilmesiyle hız kontrolünün gerçekleştirilmesi.
44
Şekil 2.38
: Alan (uyartım) akımı ile hızın değişimi.
44
Şekil 2.39
: Hız kontrolü için endüvi direnci metodu.
45
Şekil 2.40
: Harici endüvi direnci ile hızın değişimi.
45
Şekil 2.41
: Bir fazlı tam doğrultucu kullanılarak DC motor endüvi geriliminin
kontrolü.
46
Şekil 2.42
: Üç faz tam dalga kontrollü doğrultucu.
47
Şekil 2.43
: Temel bir kıyıcı devresi.
49
Şekil 2.44
: Kıyıcının giriş-çıkış akım ve gerilim dalga şekilleri.
49
Şekil 2.45
: Yabancı uyartımlı DC motorlar için ayarlanabilir hız sürücüleri.
50
Şekil 2.46
: Yabancı uyartımlı bir DC motorda hız kontrol bölgeleri.
51
Şekil 2.47
: PIC16F876 ile gerçekleştirilen fırçasız dc motor sürücü sistemi.
55
Şekil 2.48
: Fırçasız DC motor statoru ve alan sargıları.
55
Şekil 2.49
: Farklı kutuplu stator yapıları.
56
Şekil 2.50
: Alan etkili sensörün yapısı.
59
Şekil 2.51
: İki ve dört kutuplu motorlarda alan etkili sensörlerin durumu.
59
Şekil 2.52
: Alan etkili sensör şeması.
60
Şekil 2.53
: Motor içindeki alan etkili sensörlerin konumu.
60
Şekil 2.54
: Alan etkili sensörlerin yerleşim şekilleri.
61
Şekil 2.55
: Artımlı (artırımsal) encoder.
62
Şekil 2.56
: Mutlak encoder.
62
Şekil 2.57
: Sıfır geçiş dedektörünün yapısı ve bağlantısı.
64
Şekil 2.58
: Mosfet’lerle yapılmış sürücü devresi.
65
Şekil 2.59
: Mosfet’lerin iç yapısı ve sembolü.
66
Şekil 2.60
: Güç mosfetinin sembolü.
66
xviii
43
Şekil 2.61
: Mosfetlerin karakteristik eğrisi.
67
Şekil 2.62
: PNP ve NPN tipi transistörlerin sembolü ve iç yapısı.
67
Şekil 2.63
: Transistörlerin karakteristik eğrisi.
68
Şekil 2.64
: Tristörün sembolü, yapısı ve tristör eşdeğer devresi.
68
Şekil 2.65
: IGBT’nin sembolü ve karakteristik eğrisi.
69
Şekil 2.66
: BLDC motorunun sürücü devre ile bağlantısı.
69
Şekil 2.67
: PWM yönteminin basit anahtar yapısı.
70
Şekil 2.68
: Taşıyıcı sinyal ve kontrol sinyalinin değişimi.
70
Şekil 2.69
: Taşıyıcı sinyal ile kontrol sinyalinin karşılaştırılması sonucu oluşan
darbe sayısı.
71
Şekil 2.70
: Dış rotorlu BLDC motor yapısı.
72
Şekil 2.71
: Disk tipi BLDC motoru.
73
Şekil 2.72
: İç rotorlu BLDC motorların yapısı.
74
Şekil 2.73
: BLDC motorların rotor çeşitleri.
75
Şekil 2.74
: Pozisyon geri beslemeli bir fırçasız doğru akım motor sürücü
sisteminin devre şeması.
78
Şekil 2.75
: Sürücü anahtarların bağlanması.
78
Şekil 2.76
: Bulanık denetleyici genel yapısı.
81
Şekil 2.77
: Genetik algoritmadaki işlem sırası.
83
Şekil 2.78
: Birçok katlı perseptron modeli.
84
Şekil 3.1
: Yabancı uyartımlı DC motor eşdeğer devresi.
87
Şekil 3.2
: Yabancı uyartımlı DC motorda mekanik sistem.
89
Şekil 3.3
: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun blok diyagramı.
90
Şekil 3.4
: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simulink modeli.
91
Şekil 3.5
: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simülasyon sonucu
grafikleri.
92, 93, 94, 95, 96
Şekil 3.6
: Bir sistemin PI kontrolü işleminin blok diyagramı.
98
Şekil 3.7
: Motor kontrolünde iç ve dış döngülerin blok diyagramı.
99
Şekil 3.8
: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle
yapılan denetiminin simulink modeli.
101
Şekil 3.9
: PI kontrolörde “PI tuner” penceresi.
102
Şekil 3.10
: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle
yapılan denetiminin simülasyon sonucu grafikleri.
103, 104
Şekil 3.11
: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun blok diyagramı. 106
Şekil 3.12
: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorda sistemin transfer
fonksiyonlarını ifade eden blok diyagram.
106
Şekil 3.13
: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simulink modeli.107
Şekil 3.14
: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simülasyon sonucu
grafikleri.
108, 109, 110, 111, 112
xix
Şekil 3.15
: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle
yapılan denetiminin simulink modeli.
114
Şekil 3.16
: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle
yapılan denetiminin simülasyon sonucu grafikleri.
115, 116
Şekil 3.17
: Üç fazlı yıldız bağlı BLDC motorun eşdeğer devresi.
117
Şekil 3.18
: BLDC motor devre diyagramı.
120
Şekil 3.19
: BLDC motor sürücü sisteminin blok diyagramı.
121
Şekil 3.20
: BLDC motor sürücü sisteminin matlab/simulink modeli.
123
Şekil 3.21
: BLDC motorun PI kontrolörleriyle yapılan denetiminin simülasyon
sonucu grafikleri.
124, 125
xx
SEMBOL LİSTESİ
: Endüvide endüklenen zıt emk
: Endüvi devresi direnci
: Uyartım devresi direnci
: Endüvi devresi endüktansı
: Uyartım devresi endüktansı
: Endüvi akımı
: Endüvi akımının alabileceği en büyük değer
: Uyartım akımı
: Hat veya yük akımı
: Endüvi devresi gerilimi
: DC motora uygulanan kaynak veya terminal gerilimi
: Uyartım devresine uygulanan gerilim
: Alan (uyartım) akısı
: Açısal hız
: Motorun boştaki açısal hızı
: Rotor devir sayısı (d/d)
: Endüvi devresi sabiti
: Uyartım devresi sabiti
: Endüvi devresine giren güç
: Endüvide üretilen güç
: Endüvi gücünün alabileceği en büyük değer
: Net çıkış gücü (milden alınan güç veya mekanik çıkış gücü)
: Rotasyonel (döner) kayıp güç
: Toplam giriş gücü
: Endüvide oluşan tork
: Çıkış torku (momenti)
: Verim (çıkış gücünün giriş gücüne oranı)
: Verimin alabileceği en yüksek değer
: DC şönt motor sabitesi
: DC seri motorda seri direnç
xxi
: DC kompunt motorda şönt uyartım sargısından geçen akım
: DC kompunt motorda şönt sargı parametresi
: DC kompunt motorda seri sargı parametresi
: Doğrultucuya uygulanan gerilimin maksimum değeri
: Doğrultucuya uygulanan gerilimin etkin değeri
: Anma uyartım akımı
: Üç fazlı tam dalga doğrultucuya uygulanan kaynak hat gerilimi
: Kıyıcıya uygulanan kaynak geriliminin değeri
: Kıyıcının yüke bağlanma süresi
: Kıyıcının yüke bağlanmama süresi
:
süresi
: Kıyıcı çıkış gerilimi
: Kıyıcı ani giriş akımı
: Kıyıcı ani çıkış akımı
: Kıyıcı ani giriş gerilimi
: Kıyıcı ani çıkış gerilimi
: Manyetik Akı Yoğunluğu
: Manyetik Alan Şiddeti
: Örnekleme periyodu
: Örnekleme periyodunda sayılan darbe sayısı
: Diskteki (optik sensörlerde) ızgara sayısı
: Frekans
: PWM yönteminde çıkış gerilimi ile giriş gerilimi arasında oran görev
periyodu
: Çıkış gerilimi
: Giriş gerilimi
: Yarı iletken anahtarın iletimde kalma süresi
: Yarı iletken anahtarın kesimde kalma süresi
: PWM yönteminde kontrol sinyali gerilimi
: PWM yönteminde taşıyıcı sinyal gerilimi
: PWM yönteminde taşıyıcı sinyal maksimum gerilimi
: PWM yönteminde taşıyıcı sinyal minimum gerilimi
: Motor sabiti
: Motorun ürettiği elektromanyetik tork
: Yük torku
: Eylemsizlik (atalet) momenti
: Sürtünme katsayısı (mekanik sistemin sönüm oranı)
xxii
: Elektriksel sistemin transfer fonksiyonu
: Mekanik sistemin transfer fonksiyonu
: Sistemin transfer fonksiyonu
: Aktive edilen sinyal
: Hata sinyali
: PI kontrolörünün oransal kazanç sabiti
: PI kontrolörünün integral kazanç sabiti
: Akım sensör kazancı
: Kıyıcı kazancı
: Elektrik zaman sabiti
: Mekanik zaman sabiti
: Takometre katsayısı
: Takometre çıkış gerilimi
: Motor zıt emk sabiti (motor emk sabiti)
: Tork sabiti
: Stator a fazı faz gerilimi
: Stator b fazı faz gerilimi
: Stator c fazı faz gerilimi
: Statorun a fazından geçen akım
: Statorun
b fazından geçen akım
: Statorun
c fazından geçen akım
: Statorun
a fazında endüklenen zıt elektromotor kuvveti
: Statorun b fazında endüklenen zıt elektromotor kuvveti
: Statorun c fazında endüklenen zıt elektromotor kuvveti
: Stator faz dirençleri
: Stator faz endüktansları
: Stator faz sargıları arasındaki karşılıklı (ortak) endüktanslar
: Elektriki rotor açısı
: Mekaniki rotor açısı
: Motor çıkış açısı
: Rotor kutup sayısı
: DC besleme voltajı
: Yük torku sabiti
xxiii
xxiv
YABANCI UYARTIMLI İLE FIRÇASIZ DC MOTORLARIN HIZ VE TORK
KARAKTERİSTİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
ÖZET
Fırçalı DC (BDC) motorlar, oyuncaklardan araba koltuklarına kadar uzanan geniş bir
uygulama alanına sahiptir. Bu motorlar, ucuz ve çalıştırılması kolaydır. Piyasada
tüm boyut ve biçimlerde bulunabilmektedir.
Yabancı uyartımlı DC motorlar, düşük hızlarda yüksek tork kapasitesine sahip
olmaları nedeniyle tercih edilirler. Bu motorların dış kaynaklarla, hem armatür, hem
de alan akımlarının kontrol edilebilmeleri nedeniyle, en esnek bir şekilde kontrolü
mümkündür. Armatür kaynağı için, kontrollü doğrultucu ya da kıyıcı gereklidir. PI
veya PID gibi kontrolörlerle hız kontrolü sağlanmaktadır. Daha hassas kontrol
istendiğinde, adaptif kontrol teknikleri kullanılır.
Fırçasız doğru akım motorları (BLDC motorlar), sahip oldukları avantajları
dolayısıyla günümüzde daha çok tercih edilir duruma gelmiştir. Avantajlarının
başlıcaları; yüksek verim, güvenilir çalışma ortamı, daha az bakım, sessiz çalışma,
kolay soğutma, uzun ömür ve kolay kontrol edilebilme şeklinde belirtilebilir. Bununla
beraber; karmaşık bir kontrol yapısına sahip olmaları, pahalı bir sistem oluşu, rotor
pozisyonunun algılanabilmesi için pozisyon sensörlerine ihtiyaç duyması gibi
dezavantajlara da sahiptir. Pozisyon sensörlerinin kullanılmadığı durumlarda ilave
algoritmalar gerekir. Ancak günümüzde gelinen noktada geliştirilen yöntemlerle, bu
motorların dezavantajları önemsiz duruma gelmeye başlamış ve kullanımları
artmıştır.
Otomotiv sektörü, uzay ve bilgisayar teknolojileri, tıp elektroniği, askeri alanlar,
robotik uygulamalar ve ev ürünlerinde sıkça kullanılmakta ve kullanım alanları
gittikçe genişlemektedir.
Bir BLDC motor, üç faz sargılı stator, sabit mıknatıslı rotor, geri besleme üniteleri
(Hall sensörleri v.b.), evirici ve sürücü katmanı ile denetleyici yapılarından
oluşmaktadır. Stator sargılarının enerjilendirilmesi rotor pozisyonuna göre yapılır.
Rotor konumu algılayıcılar ile belirlenir. Bunun dışında, sürücü için akım veya gerilim
bilgileri de ölçülerek kullanılmalıdır. Hız ve konum denetimi için en çok Hall ya da
optik sensörler kullanılır. Rotor pozisyonunun sensörsüz olarak belirlendiği teknikler
de giderek yaygınlaşmaktadır. Sensörsüz motorlar, sensörlü motorlar kadar yüksek
hızlara ve ivmelere ulaşamazlar.
Fırçasız DC motorunun elektromanyetik yapısı, sürekli mıknatıslı senkron motorlara
benzemekle birlikte; stator hava aralığında endüklenen zıt-emk, sinüzoidal olmayıp
trapezoidal (yamuk) şeklindedir.
Fırçasız DC motorlar, rotorun yapısına göre üçe ayrılır. Bunlar dış rotorlu, disk tipi ve
iç rotorlu yapılardır. Bunun dışında BLDC motorlar sensörlü ve sensörsüz olarak da
ikiye ayrılır.
Fırçasız DC motorlarda motorun akımı, torku, rotor konumu ve hızı gibi parametreler
çeşitli kontrol yöntemleri kullanılarak kontrol edilir. Bu kontrol şu şekilde olmaktadır;
denetleyicinin ürettiği kontrol sinyali, seçilen kontrol algoritmasına göre PWM
xxv
sinyallerinin durumunu kontrol eder. Bu şekilde denetleyici tarafından motor
parametreleri kontrol edilir ki, denetleyici hem yazılım, hem de donanım yapılarından
oluşur.
BLDC motorların kontrolünde yapılarının basitliği nedeniyle ve birçok uygulamalarda
yeterli verimi karşılaması nedeniyle klasik denetleyiciler (PI ve PD tipi) kullanılır.
Ancak denetlenecek sistemin modeline ihtiyaç duymaları ve en uygun kazanç
değerlerinin deneme yanılmayla belirlenmesi dezavantaj oluşturmakta; sinüzoidal ve
ani değişimlerdeki performansları yetersiz olmaktadır. Dolayısıyla, PI ve PD tipi
denetleyiciler hassasiyet aranmayan uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Çok
hassas denetim gerektiren uygulamalarda ise modern denetim teknikleri tercih
edilmektedir. Günümüzde modern denetim tekniklerine, bulanık mantık, yapay sinir
ağları, genetik algoritma, sinirsel bulanık denetleyiciler örnek verilebilir.
Bu tezde, önce, fırçalı ve fırçasız DC motorların yapıları, çeşitleri, çalışma
prensipleri, kullanım alanları, kontrol biçimleri ve ekipmanları hakkında literatüre
dayalı açıklayıcı bilgiler verilmiştir. Daha sonra, yabancı uyartımlı DC motorların ve
BLDC motorların matematiksel modelleri oluşturulmuş; bu modellerin
Matlab/Simulink Programı kullanılarak Simulink modelleri elde edilmiş, PI kontrolü
eklenmiş ve step (birim basamak) cevapları incelenmiştir. Son olarak da, bu
cevaplar yorumlanmış ve karşılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Fırçalı DC motor, yabancı uyartımlı DC motor, fırçasız DC
motor, kontrol, PI kontrol.
xxvi
COMPARISON OF SPEED AND TORQUE CHARACTERISTICS OF
SEPARATELY EXCİTED DC MOTORS AND BRUSHLESS DC MOTORS
ABSTRACT
Brushed DC motors have been widely used in a variety of applications, for example
toys, car seats, electric trains, electric vehicles etc. These motors are cheap. They
provides easy controllability and high performance.
The most flexible control is obtained by separately excited DC motor in which the
armature and field circuits are provided with seperate sources. The separately
excited DC motors have been preferred because of have a high torque in
underspeed. For the armature source a controlled rectifier or chopper is required.
Conventional controllers such as PI and PID have been applied to control the speed
of DC motors. The disadvantages of using conventional controllers are that they are
sensitive to variation in the motor parameters and load disturbance. In addition, it is
difficult to tune PI or PID gains to eliminate and reduce the overshoot and load
disturbance. Nowadays, researchers applied adaptive control techniques for DC
motor speed control to achieve parameter insensitivity and fast speed response.
Nowadays, brushless DC motors have been preferred more than the other electric
motors because of their advantages. Principal advantages; high efficiency, high
reliability, less maintenance, silent operation, being easily cooled, long life (no brush
and commutator erosion) and being easily controlled. Unfortunately, BLDC motors
have disadvantages that have a control system more complexity, expensive system
and require position sensors to sensing rotor position. Sensorless control contains
higher requirements for control algorithms and more complicated electronics. But,
nowadays, the disadvantages of BLDC motors have arrived not important because
of the development of BLDC control methods.
Nowadays, especially automotive sector and all industries are needed precise and
at the same time low cost, reliable and low maintenance velocity variables.
Accordingly, in order to provide for the desired specifications, selection of motor
becomes important. Classical (brush) DC motors have start up moment, high
efficiency and linear caracteristic of speed-moment. These characteristics are
desired for servo systems. However, friction and arc formed due to brush and
collectors, efficiency of motor is negatively affected. Also, due to abrasion and
heating, frequent failures occur. DC motors eliminated from the disadvantages
mentioned above are made almost ideal designs that require less maintenance with
higher efficiency. BLDC motors designed with this idea have linear speed-moment
relation. Start up moment being directly with the motor current, makes control easier
compared to other motors. High moments can be produced at small sizes. Which
means they have high moment-volume ratio (require less copper for BLDC motors).
They require less maintenance because of no brush and collector, they can be used
in danger zones.
These motors have been widely used in a variety of applications in automobile
industry (hybrid vehicles), space and computer technology, medical electronic,
military areas, industrial automation, robotic applications and household products.
xxvii
The BLDC motor is an AC synchronous motor with permanent magnets on the rotor
(moving part) and windings on the stator (fixed part). Permanent magnets create the
rotor flux and energized stator windings create electromagnet poles. The rotor is
attracted by the energized stator phase. By using the appropriate sequence to
supply the stator phases, a rotating field on the stator is created and maintened.
This action of the rotor, chasing after the electromagnet poles on the stator, is the
fundamental action used in synchronous permanent magnet motors. The lead
between the rotor and the rotating field must be controlled to produce torque and
this synchronization implies knowledge of the rotor position.
BLDC motor is defined the shape of the back-EMF of the synchronous motor. Both
BLDC and PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) have permanent
magnets on the rotor, but differ in the flux ditributions and back-EMF profiles. The
back-EMF is trapezoidal in BLDC motor case and sinusoidal in the PMSM motor
case.
BLDC motor is composed of a permanent magnetic rotor and three stator coils.
Besides, It’s used to operate inverter and driver circuit and controller. The rotor
position must be known to energized stator coils. The rotor position is determined by
the sensors. Generally, the Hall effect position sensors are used to detect rotor
position. Sometimes, optic sensors are used too. Besides, for driver, current and
phase informations are also measured to controlled the motor. The rotor position is
usually sensed by sensors, but there are applications that require sensorless
control. Benefits of the sensorless solution are elimination of the position sensor and
its connections between the control unit and the motor. The sensorless rotor position
technique detects the zero crossing points of back-EMF induced in the motor
windings. Using sensorless control have been widely increased recently. Sensorless
control of BLDC motors can’t achieve high speed and acceleration according to
motor control with sensors.
No sensor studies, Kalman Filter Theory is used as a stronger method. In this
method, a mathematical model that contains position, speed and back-EMF values
is used. In prediction stage, the change in the motor status at any point in time is
predicted by using this method. The predicted back-EMF is compared with
measured value and the difference is used for optimizing the motor operation. By
using Kalman Method, position and speed of motor can be predicted not only at zero
crossings but also at any given time. Therefore more accurate commutation and so
higher effiency can be obtained.
There are three types of brushless DC motors called inrunner, outrunner and disc
type. The inrunner motor has permanent magnetes located on the inside of the
stationary electromagnets. Inrunner motors are good when high speed are needed.
They are more efficient than outrunner motors the faster they spin. Inrunner motors
are low torque than outrunner motors. An outrunner motor has the permanent
magnets located on the outside of the stationary electromagnets. Outrunner motors
spin slower but output more torque. Disc type brushless DC motors can prefer low
power and low speed applications. If we need low speed but high power, we should
choose inrunner motor to has high number of poles.
Parameters in brushless DC motors, such as motor current, torque, rotor position
and speed are controlled using various control methods. Control signal is produced
by the controller, controls the status of PWM signals selected according to control
algorithm. By means of this method, motor parameters that consist of both software
and hardware structures, are controlled by the controller. Torque of BLDC motors
generally are controlled by controls of stator currents.
PWM process is obtaining voltage at different impulse width by switching a fixed
source and therefore voltage control at very wide ranges can be obtained. Impulse
xxviii
width obtained depends on the total of duration the switch remains on and off, the
duration the switch remains on. This is provided by changing the switch off duration
or period. In BLDC motor applications, control has become increasingly important
besides motor design. BLDC motors are controlled by the fundamental power
electronic circuits. However, It’s necessary that many applications is implemented
by the developed control algorithms. Increase in microprocessor capabilities,
applicability of obtained mathematical models have made easy designing digital
controllers for these models. Due to the improvements mentioned above,
technologically advanced and economical solutions are now possible for industrial
needs.
Classic controllers for example PI and PD type controllers are used for controlling
BLDC motors due to their simplicity of structure and enough efficiency in most
applications, in general. However, requiring the model of the system to be controlled
and determining the optimum gain values by trial and error method are among the
disadvantages of this method, together with lack of performans during sinusoidal
and instantaneous system changes. Therefore, PI and PD type controllers are
commonly used for applications that do not require high precision. For applications
that require very high precision, modern control methods are preferred. Fuzzy logic,
artificial neeural network, genetic algorithm, neural fuzzy controllers are examples of
modern control techniques.
Fuzzy logic is the most convenient control method for conditions where classical
logic is not enough. Especially, if mathematical model of a system is not constructed
or is very difficult to construct, and it is a non-linear system, fuzzy logic control
method where human perception and experiences are utilized is preferred.
In this thesis, firstly, general information was given about brush and brushless DC
motors and their control including basic structures, characteristics, types, working
principles, control logic and control methods commonly used. Then, the
mathematical models of separately excited DC motors and BLDC motors were
obtained and then, simulink models of this models were obtained by using
Matlab/Simulink Software. Obtained simulink models were simulated and simulation
results were illustrated. Then, PI controllers were added this simulink models. Added
simulink models were simulated and simulation results were illustrated. Ultimately,
all simulation results were interpreted and compared.
Keywords: Brushed DC motor, separately excited DC motor, brushless DC motor,
control, PI control.
xxix
xxx
1. GİRİŞ
Yabancı uyartımlı DC motorlar, düşük hızlarda yüksek tork kapasitesine sahip
olmaları sebebiyle kullanılırlar. Bu şartların gerçekleşmesi için gereken rotor tork
akımının üretimi, yeterli armatür voltajı ve dış uyartımın ürettiği yüksek stator alan
akımı tarafından sağlanır [1].
Yabancı uyartımlı DC motorların dış kaynaklarla, hem armatür, hem de alan
akımlarının kontrol edilebilmeleri nedeniyle, en esnek bir kontrol elde etmek
mümkündür. Armatür kaynağı için kontrollü doğrultucu ya da kıyıcı gereklidir [2]. PI
ve
PID
gibi
konvansiyonel
kontrolörler
DC
motorların
hız
kontrolünde
kullanılabilmektedir. Konvansiyonel kontrolörlerin kullanımının bazı dezavantajları
vardır. Yük bozulmalarına ve motor parametrelerinin değişimine karşı yeterli kontrolü
sağlamakta zorlanırlar yani bu değişimlere karşı hassastır. Buna ilaveten, yük
bozulmalarını ve aşımı, azaltmak ya da yok etmek için PI ve PID kazanç değerlerini
ayarlamak zordur. Araştırmacılar, konvansiyonel kontrolörlerin söz edilen bu
sakıncaları nedeniyle, DC motor hız kontrolünde, yüksek hız cevabı elde etmek ve
parametre duyarsızlığını yenebilmek için adaptif kontrol teknikleri geliştirmişlerdir [3].
Model referans adaptif kontrolör (MRAC), referans modelin terimlerine ait özelliklerin
verildiği bir problemde, çıkışın komut sinyaliyle ideal olarak nasıl cevaplanabileceğini
gösteren süreci anlatır [4]. Modelleme ve kontrolde, özellikle bulanık sistemlerin
kullanımıyla büyük bir hassasiyet sağlanmıştır. Ama ne yazık ki, sistem dizayn
edenler için, optimal bulanık kuralların elde edilmesi kolay değildir. Çünkü, bu
kurallar büyük ihtimalle, sistem dizayn edenlerin ve bu işlemleri yapanların sezgisel
yeteneklerine bağlıdır. Bulanık sistemlerin sinir ağı uygulaması, bulanık sistemlerin
dizaynı için uygun bir yaklaşım olarak önerilmektedir. İki sistemin birleşiminin
sonucu olarak, bazen bulanık sistem tabanlı sinir ağı, bazen bulanık-sinir ağı ya da
sinir-bulanık ağı şeklinde isimlendirilen, her iki sistemin de avantajlarına haiz ve her
iki sistemin güçlüklerinin üstesinden gelebilen bir yeni sistem ortaya çıkmıştır.
Bulanık sinir ağı, hibrit (melez) bir sistem olup bu sistemin fonksiyonları bulanık
1
sistem fonksiyonları olarak ifa edilir. Sistemin işlem mekanizması, bulanık sinir ağı
tarafından gerçekleştirilir [5]. Günümüzde lineer olmayan dinamik sistemlerin
tanımlanması ve kontrolü için, bulanık ve sinir ağlarının kullanımı önerilmektedir.
Çünkü, bu sistemler istenen her doğruluk derecesi için, lineer olmayan
fonksiyonların geniş bir aralık içerisinde yaklaşımını sağlar [6].
Fırçasız DC motorlar (BLDC motorlar) özel bir elektrik motorudur. Senkron
makinalar kategorisine girer. Rotoru sabit bir mıknatıstan yapılmıştır [7]. BLDC
motorlar
SMSM
(Sürekli
mıknatıslı
senkron
motorlar)
ile
çok
benzerliği
bulunmaktadır. SMSM ile BLDC motorlar arasındaki temel fark boşta endüklenen
gerilimlerin farklılığıdır. SMSM’da boşta endüklenen gerilimler sinüzoidaldir. BLDC
motorlarda ise, boşta endüklenen gerilimler trapezoidal (yamuk veya yamuksal)
olmaktadır. BLDC motorların yapısı ve sürülmesi beş birimden oluşmaktadır. Bunlar;
sabit mıknatıslı bir rotor, üç fazlı ve sargıları elektronik olarak enerjilendirilen stator,
geri besleme üniteleri (pozisyon algılayıcı sensörler ile akım ve hız geri besleme
bilgileri), evirici ve sürücü birimi, denetleyici (yazılımsal ve donanımsal yapılar)’dir
[8].
Günümüzde motorlarda başlıca ucuzluk,
az bakım
ve
güvenilirlik
olarak
sayılabilecek özellikler aranmaktadır. Özellikle otomotiv gibi sanayi alanlarında,
motorlarda bu gibi özelliklerin yanı sıra, hız değişiminin de hassas bir şekilde
ayarlanabilmesi
istenmektedir.
İşte
bu
noktada
BLDC
motorlar
avantaj
sağlamaktadır. Fırçalı (Brush) DC motorlar, yüksek bir verime ve kalkış momentine,
doğrusal bir moment-hız karakteristiğine sahiptir. Yani BLDC motorların sağladığı bu
gibi avantajları sağlamaktadır. Fakat fırçalı DC motorların bünyesindeki fırça ve
kollektör düzeneklerinden dolayı sürtünme ve şerare oluşmasıyla bakım aralıklarının
sık olması zaruretine neden olmakta, verim düşmektedir. Klasik (fırçalı) motorların
bu dezavantajlarını ortadan kaldırmak için BLDC motorlar geliştirilmiştir [9]. Klasik
motorlarda, kollektör ve kollektöre basan fırçalar vasıtasıyla rotordaki sargılara
elektrik iletilmektedir. BLDC motorlarda ise, bu sistemin görevini elektronik
denetleyiciler yerine getirmektedir. Denetleyici rotorun hızını takip edebilmesi için
rotorun pozisyonunu bilmesi gerekir. Aksi takdirde motorun çalışmasında aksamalar
olur. Rotorun pozisyonunun tespitinde çoğunlukla Alan (Hall) etkili sensörler
kullanılır [10].
Rotordaki sürekli mıknatıslar ve stator sargılarından dolaşan akımların etkileşimi
neticesinde endüklenen moment ile BLDC motorlar çalışırlar. Sabit mıknatıstan
oluşan bir rotoru olan BLDC motorda, rotor pozisyonunun bilinmesi sayesinde
elektronik komütasyon gerçekleşir. Üç fazlı BLDC motorlarda her daim iki faz aktiftir.
2
Motora üç faz tatbik edilirken, üretilen güç en yüksek moment üreten iki faz ile
gerçekleşir. Rotorun pozisyonuna bağlı olarak bu iki fazdan güç elde edilir. Stator
iletkenlerindeki akımın yönleri, rotordaki her kutup değişimi esnasında, mosfet, Igbt
v.b. gibi güç elektroniği anahtarları tarafından değiştirilir. BLDC motorlarda uzun
ömürlü bir manyetik alan elde edilir. Bunun nedeni, rotorun sabit mıknatıstan
oluşmasıdır [11]. BLDC motorların elektromanyetik kirliliğinin düşük olması,
yapısının basit olması, öteki motorlara nispetle daha fazla güvenilirliğe sahip olması,
yüksek güç yoğunluğuna sahip olması gibi etmenler nedeniyle kullanımı günümüzde
artmıştır [12]. BLDC motorlar, düşük güç ve servo kontrollü sistemlerde oldukça
fazla kullanılmaktadır [13].
BLDC motorlar, uzay sistemlerinde, otomotiv alanında, askeri sahada, robotik
sistemlerde, tıp elektroniğinde, bilgisayar sistemlerinde, ev aletlerinde velhâsıl
günümüzdeki pek çok endüstriyel alanlarda sıklıkla kullanılmaktadır. BLDC
motorların sahip olduğu avantajları belirtirsek; verimleri çok yüksektir, yapıları
sağlamdır, güvenilirliği yüksektir, yapılarında fırça olmaması sebebiyle ark oluşmaz
ve karbon tozları bulunmaz, yüksek hızlar elde edilebilir, kolay soğutulabilir, hız
kontrolü mümkündür, yüksek akım-moment ve moment-atalet ilişkisine sahiptir,
küçük boyutlarına rağmen yüksek moment üretebilirler, fırçalı motorların aksine
uyarma akımları gerektirmezler ve sessiz olarak çalışırlar. Sahip oldukları bu
avantajlarına mukabil, birtakım dezavantajlara da sahiptir. Bunları da belirtirsek;
maliyetlerinin yüksekliği, pozisyon sensörü kullanımı gerekliliği ve karmaşık bir
kontrol devresine sahip olması şeklinde söylenebilir [14]. Günümüzde, kontrol
tekniklerinin ve teknolojinin düzeyinin ilerlemesi ile BLDC motorlarının kullanımı hem
artmış, hem de süregelen dezavantajları da elimine edilmeye doğru yol almıştır [15].
SMSM’ın stator sargılarında endüklenen zıt-emk sinüzoidal, oysa BLDC motorların
stator sargılarında oluşan zıt-emk ise trapezoidal yani yamuk şeklindedir. Bundan
dolayıdır ki, BLDC motorlara ayrı bir isim verilmiştir. BLDC motorların ağırlığına
nispetle ürettiği güç, SMSM’ın ağırlığına nispetle ürettiği güce göre, yani ağırlık/güç
oranına göre BLDC motorların %25 üstünlüğü vardır. Bu sebeple BLDC motorlar,
SMSM’a göre daha çok tercih edilmektedir. Zıt-emk parantezinde ayrı bir konuyu
irdelersek; stator sargılarında endüklenen zıt emk’nın trapezoidal olmasından dolayı
BLDC motorların lineer bir matematiksel modeli yoktur ve bu yapısından dolayı da
analizi zor olmaktadır [7].
BLDC motorlarının kontrolü, tasarımı kadar, hatta daha da önemli bir noktaya
varmıştır.
Bu
motorların,
güç
elektroniği
devrelerini
kullanarak
kontrolü
yapılabilmektedir. Bunun yanında, günümüzde çeşitli algoritmalar kullanılarak
3
oluşturulan kontrol yöntemlerinin kullanılmasının gerekliliği daha da artmıştır.
Teknolojik gelişmelerle üretilen mikroişlemcilerin işlevleri geliştirilmekte ve yeni
işlevlere sahip mikroişlemcilerle birlikte bunların yeni matematiksel modelleri de elde
edilmektedir ve bunlara uygun olarak yeni sayısal kontrolörler geliştirilmektedir
[16].
Darbe genişlik modülasyonu (PWM), BLDC motorların kontrolünde kullanılan
yöntemlerden biridir. Bu yöntemde, değişik darbe genişliğine sahip gerilimler, sabit
bir kaynağın anahtarlama işlemiyle elde edilir. Anahtarın açık olma süresinin,
anahtarın açık olma ve kapalı olma sürelerinin toplamına bölümü ile darbe genişliği
elde edilir. Bu oran, peryot veya anahtarın kapalı olma sürelerinin değiştirilmesiyle
elde edilir [7].
Çoğunlukla, stator akımlarının kontrolü ile BLDC motorların momenti ayarlanır.
Stator akımının denetiminde de ekseriyetle darbe genişlik ayarlı eviriciler kullanılır.
Bu eviricilerin akımlarının denetimi için de pek çok teknik ve algoritma
kullanılmaktadır [17-19]. Denetleyici kullanımı, rotor pozisyon ve konumunun hassas
bir şekilde denetlenebilmesi için zaruridir. Kullanılan denetleyiciler iki kategoriye
ayrılır. Bunlar; klasik ve modern yapıda denetleyiciler olarak isimlendirilmektedir.
Literatürde, klasik yapıda olanlar PI ve PID tipi denetleyiciler; modern yapıda olanlar
ise modern tabanlı kontrol yöntemleri, lineer karesel kontrol (linear quadratic control
“LQR”), kutup geri besleme (pole placement), öngörülü kontrol (model predictive
control “MPC”), bulanık mantık kontrol (fuzzy logic control), yapay sinir ağları
(artificial neural network), genetik algoritma v.b. kullanılmaktadır [8].
1.1 Tezin Amacı
Bu tezde, yabancı uyartımlı DC motorların ve BLDC motorların matematiksel
modelleri oluşturulmuş; bu modellerin Matlab/Simulink Programı kullanılarak
Simulink modelleri elde edilmiş, PI kontrolü eklenmiş ve step (birim basamak)
cevapları
incelenmiştir.
Daha
sonra
da,
bu
cevaplar
yorumlanmış
ve
karşılaştırılmıştır.
Bu işlemlerden önce, fırçalı ve fırçasız DC motorların yapıları, çeşitleri, çalışma
prensipleri, kullanım alanları, kontrol biçimleri ve ekipmanları hakkında literatüre
dayalı açıklayıcı bilgiler verilmiştir.
4
1.2 Literatür Araştırması
Mohammed yaptığı çalışmayla, örnek olarak seçilen bir motorun parametrelerini baz
alıp, Matlab/Simulink Programı’nı kullanarak, bir DC motor sisteminin kapsamlı
olarak modellemesini, analizini ve hız kontrol dizayn metotlarını elde etmiştir. PID
kontrolün ve transfer fonksiyonunun sistem cevabına olan etkisini gözlemlemiş; kökyer eğrisinin dizaynını, birçok deneme-yanılma işlemi sonunda elde etmiştir [20].
Karthikeyan ve Dhana Sekaran yaptıkları çalışmayla, farklı bir BLDC motor kontrol
stratejisi geliştirmişlerdir. Bu kontrol biçiminin diğer kontrol biçimlerine göre bazı
avantajları olduğunu görmüşlerdir. Bunlar, daha basit bir kontrol biçimi, faz
akımlarını dengede tutabilme, bir DC bileşen vasıtasıyla akımın kontrol edilmesi ve
bundan dolayı akımlardan ziyade fazın elimine edilmesidir. Onlara göre, bu
yöntemle elde edilen karakteristikler, güç transistörleriyle bir akım kontrol stratejisi
olarak bir üçgensel taşıyıcının kullanılmasına olanak sağlarlar ki bu da, diğer
biçimlere göre daha basit ve daha fazla yanlışsız bir sonuç sağlar. Bu kontrol biçimi
diğer
bilindik
kontrol
biçimleriyle
mukayese
edildiğinde,
daha
mükemmel
modülasyon karakteristiklerine sahiptir [21].
Wu ve Tian yaptıkları çalışmada, sürekli mıknatıslı BLDC motorların çalışma
prensibi ve Microchip Technology Inc.’ın geliştirdiği dsPIC30F4012 ile BLDC
motorların dijital sinyal kontrolü tanıtıldıktan sonra, fanlar ve pompaların yük
gereksinimlerine göre BLDC motorların dsPIC30F4012 kontrol çipi ile kontrol
çözümleri önerilmiş; donanım devresi dizayn edilerek bu donanıma kaynak
oluşturan yazılım programının bir bölümü verilmiştir. Oluşturulan devre donanımıyla
ve kontrol programının yazılımıyla sistem hatalarından arındırılmış ve geliştirilmiştir.
Sonuçta, geliştirilen sistem mükemmel bir kontrol performansı, güvenilirlik ve tüm
üretim dizayn gereksinimlerinin üstesinden gelmiştir [22].
Wang yaptığı çalışma ile, yüksek güçlü BLDC motorun kapalı çevrim kontrol
sistemini dizayn etmişse de; daha ziyade IR2130 sürücü devresi, H köprüsü sürücü
devresi, motor için dönüş yönetimi kontrolü ve hız algılama devresi dizaynını hedef
seçmiştir.
Bu
amaçla,
motor
ayar
parametreleri
boyunca
performansının
iyileştirilmesi için güncel uygulama gereksinimleri, güvenilirlik ve kararlılık ilkeleri göz
önünde tutularak çekirdek kontrol algoritması olarak PID (oransal-integral ve türev
kontrol) kontrolü kullanılmıştır. Bu kontrol iyi bir performans sergilemiştir. Deneylerle
görülmüştür ki, hem donanım hem de yazılım kontrol algoritması güvenilir ve
karalıdır. Sistemin çalışma performansının motor hem yüklü, hem de yüksüz iken
çok iyi olduğu tespit edilmiştir. Wang’a göre, BLDC motor için hız kontrolü çok
5
önemlidir. Her çeşit kontrol gereksinimlerini karşılamak, BLDC’nin sayısal ve etkin
bir kontrolünü gerçekleştirmek için en yaygın kontrol biçimleri: PID kontrolü, bulanık
mantık kontrolü ve birleşik kontrol biçimleri olarak bulanık-sinir ağı, bulanık-genetik
algoritma v.b. biçimleri kapsar. Bunlardan PID kontrolü günümüzde geniş uygulama
alanlarında kullanılmaktadır [23].
Janpan, Chaisricharoen ve Boonyanant yaptıkları çalışmada, doğal mıknatıslı BLDC
motorların
çalışması
esnasında
bir
taraftan
da
elektrik
enerjisi
üretimi
yapabileceklerini düşünmüşlerdir. Bu amaçla üç stator sargısına sahip BLDC
motorun her kontrol adımında iki sargısı kullanılarak manyetik alan dönüşü elde
edilmiş; serbest olan diğer sargıda endüklenen bir zıt-emk ile ise elektrik enerjisi
elde edilmiştir. Deney sonuçlarından da görülmüştür ki, BLDC motorun kombine
biçimdeki kontrolü ile, motor yüksüz iken elde edilen çıkış voltajı, giriş voltajının
%75’i civarında olmuştur (12 V girişten, yaklaşık 9 V çıkış elde edilmesi) ve bu
çalışmalar daha da sürmektedir [24].
Sing, Pandey ve Dipraj yaptıkları çalışmayla, PI kontrolör kullanarak bir DC servo
motorun hız kontrolü için verimli bir yöntem elde etmişlerdir. PI kontrolör hatayı
minimize etmeyi sağlamıştır. Bu çalışmada, PI kontrolörünün dizaynı için gereken
transfer fonksiyonu elde edilmiş; PI kontrolör ve sistemin verimliliği Matlab/Simulink
Programı kullanılarak gözlenmiştir. Bu yeni dizayn metoduyla, bir DC servo motor
için bir hız kontrolörünün dizaynında basit ve güçlü bir yol önerilmektedir. Burada,
minimize edilmiş hız hatasıyla, değişen hız değerleri elde edilmiştir. Simülasyonda,
PI kontrolörün performansı geliştirilmiş; yaklaşık sıfır aşım, minimum yerleşme
zamanı değerlerine ulaşılmıştır [25].
Karakulak, Yaz ve diğerleri yaptıkları çalışmada, bir BLDC motoru PIC16F877
mikroişlemcisi ile sürülmesi tasarımı yapmışlar ve sonuç pratikte başarıyla
gerçekleşmiştir. Basit yapısı ve düşük maliyetine göre sistemin kararlı bir şekilde
çalıştığı görülmüştür. Tasarlanan devre, BLDC motorun moment kontrolü yapmadan
sadece faz gerilim bilgisinden geri besleme alarak kontrolünü sağlamaktadır. Sabit
yüklü ve sabit hızlı BLDC motor uygulamalarında kolaylıkla kullanılabilecek
yapıdadır. Sistem ilave bir sensör yardımıyla, motor akım kontrolü dolayısıyla
moment kontrolü de yapabilecek niteliktedir. Yapılan deneyler sonucunda tasarlanan
sürücünün, hem kullanılan malzemelerin ucuzluğu ve tedarik kolaylığı, hem de
sistemin
kararlılığı
nedeniyle
pratik
uygulamalarda
kullanılabileceği görülmüştür [14].
6
güvenli
bir
şekilde
Salem
yaptığı
çalışmada,
mekatronik
uygulamalarında
kullanılan
elektrik
makinalarının temel açık çevrim kontrolüne ilişkin çözümlerini, analizlerini,
matematiksel modellerini ve bunlara ilişkin simulink modellerini tanıtmıştır. Tanıtılan
modeller, araştırma projeleri için tasarlanmıştır. Çalışmasının içeriğinde, önce
elektrik motorlarının temel eşitliklerini ifade etmiş; daha sonra ise kalıcı mıknatıslı
DC motorların, yabancı uyartımlı DC motorların, şönt DC motorların, seri DC
motorların matematiksel modellerini ve bunlara ilişkin simulink modellerini ifade
etmiştir. Kompunt DC motor ve BLDC motor hakkında özet bilgiler vermiştir.
Önerdiği metotla, kalıcı mıknatıslı ve yabancı uyartımlı DC motorların kontrolünü
incelemiş ve buna ilişkin simulink modellerini ifade etmiştir [26].
Chowdhury, Chattopadhyay ve Roy, bilindik olan 6 anahtarlamalı komütasyon
devresi yerine, 4 anahtarlamalı yeni bir komütasyon yaklaşımıyla doğal mıknatıslı
BLDC motorların sensörsüz olarak sürülmesi amacının üstesinden gelmişlerdir.
Onlara göre, bu teknik, rotor pozisyonu algılamak için kullanılan ve hantal olan
sensörlü BLDC motor sürme tekniklerinden (alan etkili sensörler kullanılarak) her
zaman avantajlıdır. Sensörsüz performans hem karmaşık donanımı, hem de ilgili
devrenin güç tüketimini azaltır. Bu çalışmalarında, MATLAB/SIMULINK platformunu
kullanmışlar; önce 4 anahtarlamalı 3 fazlı BLDC motor sürücüsü tanıtılmış; daha
sonra simülasyon çalışmasıyla zıt EMK algılama tekniği kullanılarak rotor pozisyonu
için kestirimde bulunmuşlardır. Bu çalışmada, BLDC motorun sensörsüz tekniğinin
canlandırılması için lojik devre ile beraber güç elektroniği temelli inverter
kullanılmıştır. Bu dizaynın etkililiği simülasyon sonuçlarıyla gösterilmiştir. Bu dizayn
ile çok yüksek hızlar elde edilmiş, ancak daha düşük dönüş hızlarında biraz
doğrusal olmayan sonuçlar elde edildiği görülmüştür [27].
1.3 Tez Düzeni
Bu tezde, birinci bölümde, “giriş” başlığı altında; konuya giriş, tezin amacı, literatür
araştırması ve tez düzeni açıklanmıştır.
İkinci bölümde, “fırçalı ve fırçasız doğru akım motorlarının tanıtımı” başlığı altında;
fırçalı ve fırçasız doğru akım motorlarının yapısı, çeşitleri, çalışma prensipleri,
olumlu ve olumsuz yönleri, kontrol yöntemleri ve ekipmanları, karşılaştırılması
konuları açıklanmıştır.
Üçüncü bölümde, “yabancı uyartımlı ve fırçasız doğru akım motorlarının
matematiksel modelleri ile matlab/simulink ortamında simülasyonu” başlığı altında;
1. Kısımda: yabancı uyartımlı DC motorların ikaz kontrollü ve armatür kontrollü
7
olarak matematiksel modelleri, bunlara ilişkin simulink modelleri ve bu modellerin,
örnek seçilen motorların parametrik değerleri alınarak yapılan simülasyonları sonucu
elde edilen grafikleri, sistem kararlılık analizleri verilmiştir. Daha sonra, bu simulink
modellerine PI kontrolörler eklenerek elde edilen yeni simulink modelleri ve bu
modellerin, örnek olarak seçilen motorların parametrik değerleri alınarak yapılan
simülasyonları sonucu ortaya çıkan hız-zaman, tork-zaman grafikleri verilmiştir. 2.
Kısımda: fırçasız DC motorların matematiksel modeli, buna ilişkin PI kontrolörüne
sahip simulink modeli ve bu modelin, örnek olarak seçilen motorun parametrik
değerleri alınarak yapılan simülasyonu sonucu elde edilen hız-zaman, tork-zaman
grafikleri verilmiştir.
Dördüncü bölümde, “sonuçlar” başlığı altında; üçüncü bölümde elde edilen grafikler
yorumlanmış, karşılaştırılmış; gelecek çalışmayla ilgili bilgi verilmiştir. Akabinde,
tezde yararlanılan kaynaklar ve özgeçmiş bilgileri verilerek tez tamamlanmıştır.
8
2. FIRÇALI VE FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORLARININ TANITIMI
2.1 Giriş
BDC motorlar, oyuncaklardan tutun da, ayarlanabilir araba koltuklarına kadar
uzanan geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu motorlar ucuz, çalıştırılması kolay
olup tüm boyut ve biçimlerde piyasada kolaylıkla bulunabilmektedir [28].
Günümüzdeki endüstriyel uygulamalarda, örneğin robotik sistemlerde, uzay
teknolojisinde, otomotiv sanayiinde, bilgisayar sistemlerinde, tıp elektroniğinde,
askeri alanlarda, ev aletlerinde v.b. ekseriyetle artık BLDC motorları tercih
edilmektedir [29].
Bu bölümde, yukarıda bahsi geçen motorlardan, önce BDC motorların, daha sonra
da BLDC motorların tanıtılması amaçlanmaktadır. Günümüzde, fırçalı DC
motorlardan (BDC motorlar) bahsedilirken, çoğunlukla sadece DC motorlar tabiri
kullanılmaktadır. Bu tez içerisinde de zaman zaman, fırçalı DC motorlardan
bahsederken sadece DC motor ifadesi kullanılmıştır. Şekil 2.1 ve 2.2’de BDC ve
BLDC motor örnekleri görülmektedir.
Şekil 2.1: Oyuncaklar için kullanılan mikro BDC motor [30].
Şekil 2.2: Fırçasız DC motor örnekleri [31].
9
2.2 BDC Motorların Yapısı
Bir BDC motor, temel olarak 4 yapıdan oluşur. Bunlar; stator, rotor (armatür), fırçalar
ve kollektördür [28]. Şekil 2.3’de, bir BDC motor yapısı; şekil 2.4’de, basit iki kutuplu
BDC motor yapısı görülmektedir.
Şekil 2.3: Bir BDC motor yapısı [32].
Şekil 2.4: Basit iki kutuplu BDC motor [28].
10
2.2.1 Stator
Stator, rotoru çevreler ve zamana bağlı olarak değişmeyen yani sabit olan bir
manyetik alan üretir. Bu manyetik alan, ya kalıcı mıknatıslar ya da elektromanyetik
sargılar tarafından üretilir [28]. Şekil 2.5’de, BDC motor statorundaki elektromanyetik
sargılar; şekil 2.6’da, BDC motor statorundaki kalıcı mıknatıslar görülmektedir.
Şekil 2.5: BDC motorun statorunda elektromanyetik sargılar [28].
Şekil 2.6: BDC motorun statorunda kalıcı mıknatıslar [33].
BDC motorlar, statorun üretimine veya elektromanyetik sargıların güç kaynağına
bağlantı şekline göre farklı tiplere ayrılırlar [28].
11
Statorda ana ve yardımcı kutuplar ve onların üzerine sarılmış ana ve yardımcı kutup
sargıları bulunur. Motorun en dış kısmına karkas denir. Karkasa kutuplar
tutturulmuştur. Kutupların karkasa tutturulan kısmı dar, rotora bakan kısmı daha
geniştir. Buna kutup ayakları denir. Kutup sargıları, kutup ayaklarına sarılır [34].
2.2.2 Rotor
Rotor, bir ya da daha fazla sargıdan meydana gelen, armatür olarak da
isimlendirilen bir yapıdır [28]. Ayrıca rotor, üzerinde gerilimin endüklendiği sargıyı
barındırması sebebiyle DC makinalarda endüvi olarak da anılır [34]. Şekil 2.7’de,
kalıcı mıknatıslı BDC motor yapısı ve endüvi sargıları görülmektedir.
Şekil 2.7: Kalıcı mıknatıslı BDC motora genel bir bakış [35].
Endüvi sargıları enerjilendirildiğinde, bu sargılar bir manyetik alan üretirler. Rotor
alanının
manyetik
kutupları,
rotorun
dönüşü
sebebiyle
stator
tarafından
enerjilendirilen zıt kutuplar tarafından çekilecektir. Motor dönerken, sargılar sürekli
olarak farklı bir sırada enerjilendiriliyor olacaktır ki, bu nedenle manyetik kutuplar,
statorda üretilen kutupları aşmayan rotor tarafından enerjilendirilir. Rotordaki alanın
anahtarlaması, komütasyon olarak adlandırılır [28].
2.2.3 Fırçalar ve kollektör
BDC motorlarda, diğer elektrik motorlarında olan (BLDC veya AC indüksiyon
motorları v.b.) motor sargılarındaki anahtarlama akımı için bir kontrolör gerekli
değildir. Onun yerine, bir BDC motorun sargılarının komütasyonu mekanik olarak
yapılır. Kollektör, motorun mili üzerinde konumlandırılan, bölümlendirilmiş bakır bir
manşondur. Bölümlendirilmiş her bakır parça bir kollektör dilimidir. Motor döndükçe
karbon fırçalar, farklı kollektör dilimleri üzerine temas ederek ilerler. Temas, kollektör
üzerinde bir dilimden öbürüne devam eder. Kollektör dilimleri, farklı rotor sargılarına
12
bağlanmıştır. Bundan dolayı, motor fırçaları vasıtasıyla bir voltaj uygulandığında,
motor içerisinde dinamik bir manyetik alan üretilir. Fırçalar ve kollektör, BDC motor
için önemli yapılardır. Buna karşın, fırçaların kollektör dilimleri üzerinden sürtünerek
geçişi nedeniyle yıpranma eğilimi en fazla olan yapılardır [28].
2.3 BDC Motorların Çalışma Prensibi
Manyetik alan içerisindeki bir telden akım geçirilirse, bu tel manyetik alanın dışına
itilir (tel itilemeyecek şekilde yataklanmışsa telde bir hareket gözlenir). DC motorların
çalışması bu esasa dayanır. DC motorlar bu esastan hareketle, statorda mevcut
olan manyetik alan içerisinde bulunan (statordaki manyetik alan, kalıcı mıknatıslar
veya statora yerleştirilen bobinlerin oluşturduğu elektromıknatıslar ile elde edilir)
endüvideki çok sayıda iletkenden akım geçirildiğinde, bir hareket enerjisi elde
ederler. DC motorun hareket yönü (rotor dönüş yönü), manyetik alanın yönü ve
iletkenden akan akımın yönüne bağlıdır. DC motorun dönüş yönü, sol el üç parmak
kuralı ile bulunur [36]. Şekil 2.8’de, manyetik alan içerisinde bir iletkenin hareket
yönleri; şekil 2.9’da, motorun dönüş yönünün tayini için kullanılan sol el üç parmak
kuralı görülmektedir.
Şekil 2.8: Manyetik alan altında hareket yönleri [36].
13
Şekil 2.9: Sol el üç parmak kuralı [36].
Manyetik alan kuvvet çizgileri her zaman N’den S kutbuna doğrudur. 1 ve 2 numaralı
iletken kollarındaki akımlar sol el üç parmak kuralına göre, F1 ve F2 kuvvetlerinin
oluşmasına neden olup oluşan bu kuvvetlerin yönü ise birbirine ters olmaktadır.
Birbirine ters yönde oluşan bu kuvvetler, motora sürekli bir devir-daim sağlayarak
dönüşün sürekliliği gerçekleştirirler. Şekil 2.10’da, bu durum görülmektedir [37].
Şekil 2.10: Basit olarak bir DC motorun çalışması [37].
14
Gerçekte, bir DC motorun rotorunda çok sarımlı çok sayıda iletken vardır. Şekil
2.10’da gösterilen tek iletkenin dışında, çok sayıda bobinin dönmesi sonucu toplam
güç oluşur. İletkendeki daha büyük akım ya da statordaki daha büyük manyetik alan
daha büyük bir kuvvetin üretilmesine sebep olacağından, bu da iletkeni daha hızlı
hareket ettirecektir [38].
İletkenler manyetik alan içerisinde hareket ederken aynı zamanda tork da üretilmiş
olur. Manyetik alan içerisindeki rotora yerleştirilmiş iletkenler, rotorun dönmesiyle
birlikte dönerek akı değişiminden dolayı üzerlerinde bir endüksiyon elektromotor
kuvveti endüklerler [38].
(2.1)
2.1 Eşitliğindeki değer, bir iletkende endüklenen elektromotor kuvvetini ifade eder.
Sargılarda endüklenen emk, DC makinanın motor çalışmasında endüviye uygulanan
gerilimden daha küçüktür.
(2.2)
Endüvide oluşan emk iletken boyunca bir akım akışına sebep olur ve zıt emk olarak
adlandırılır (
);
, dışarıdan endüviye uygulanan gerilimdir [38]. Şekil 2.11’de, DC
motorun endüvi sargısında endüklenen voltaj ve akı değişimleri görülmektedir.
Şekil 2.11: DC motorun endüvi sargısında endüklenen voltaj [38].
Endüvide endüklenen zıt emk, endüviye uygulanan gerilime ters yönde olduğundan,
geriliminin endüviden geçirdiği akımı azaltmak ister. Endüviden geçen akım, iki
gerilimin farkından dolayı geçen akımdır.
15
Doğru akım motorlarında, makinanın gücüne göre geçen akımı ayarlayacak ayrı bir
düzenek gerekmez. Bu görevi, zıt emk yapar. Makinanın yükünde artma meydana
gelirse, devir sayısını düşürür. Devir sayısı azalınca, zıt emk azalır ve zıt emk
azalınca
’nın artması da motorun yükünü karşılar.
artar,
Motorun yükü azalırsa, devir sayısı artarak
’nin artmasına sebep olur. Bu da,
akımını azaltır [39].
2.4 BDC Motorların Eşdeğer Devresi
Doğru akım motorları, doğru akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirirler.
Doğru akım motorunun elektriksel olarak modellenmesi iki ayrı kısımdan oluşur.
Bunlar, endüvi ve uyartım devresi modelleridir.
Endüvi devresi modeli :
Endüvi devresi DC motorda Şekil 2.12’deki gibidir. DC motorda kapalı devre gerilim
‘dır. Endüvi akımının ( ’nın)
denklemi (2.2) nolu denklem olup yani,
hesaplanmasında bu denklem kullanılır.
Şekil 2.12: DC motorun endüvi devresi modeli [40].
Zıt emk; endüvi açısal hızı ( ) veya devir sayısı ( ) ile alan akısı (
)’e bağlı
değişir.
(2.3)
sabiti; kutup sayısı, endüvideki iletken sayısı gibi çeşitli makine parametrelerine
bağlı olarak değişir.
Motorun yol alma esnasında
’dır. Çünkü ilk anda
’dır. Eğer ilk anda
gerilimi azaltılmaz ise; ilk anda (yol alma anında) endüvi sargılarından çok yüksek
bir endüvi akımı ( ) geçecektir. Bu duruma dikkat edilmelidir.
16
Endüvi devresine giren güç;
(2.4)
gücü, endüvi gücü ile endüvi güç kayıplarını karşılar. Yani,
(2.5)
Endüvide üretilen güç
ile gösterilir.
(2.6)
net çıkış gücü olup,
ile ifade edilen döner kayıpların endüvi gücünden
çıkarılmasıyla elde edilir.
(2.7)
Burada,
motor milinden alınan güçtür.
, çıkış momenti olarak ifade edilir ve
birimi Newton.metre (N.m)’dir.
(2.8)
Uyartım devresi modeli :
Şekil 2.13’de DC motorun uyartım devresi modeli görülmektedir.
Şekil 2.13: DC motorun uyartım devresi modeli [40].
Endüvi devresine uyartım devresinin nasıl bağlandığının bilinmesi, bir DC motorun
tam bir performans analizinin yapılabilmesi için zaruridir.
Denklem (2.3)’de de ifade edildiği gibi,
’nin büyüklüğü uyartım akısına bağlıdır.
Elektrik makinalarının imalinde kullanılan manyetik malzemelerin mıknatıslanma
karakteristikleri, DC makinaların uyartım kutupları için de geçerli bir konudur. Bu
kutupların hem doğrusal, hem de doyum bölgeleri vardır. Fakat, uyartım akımı ile
alan akısının orantılı olarak değiştiğinin kabulu yaygın bir yaklaşımdır.
(2.9)
17
Bu eşitlikte;
uyartım akımını,
kutup akısını ifade etmektedir. Zıt emk ise;
(2.10)
şeklinde ifade edilir [40].
2.5 BDC Motorların Çeşitleri
BDC motorlar temel olarak beş çeşittir (parantez içerisinde numaralandırılmıştır).
Bunları iki kategoriye ayırabiliriz. Bunlar statoruna bobin sargılarının yerleştirildiği ve
statoruna kalıcı mıknatısların yerleştirildiği BDC motorlar olarak kategorize edilebilir.
• Statoruna bobin sargılarının yerleştirildiği BDC motorlar:
I.Yabancı uyartımlı BDC motorlar (Separately excited BDC motors) (1)
II.Kendinden uyartımlı BDC motorlar (Self excited BDC motors)
II.a. Şönt uyartımlı (sargılı) BDC motorlar (Shunt excited (wound) BDC motors)
(2)
II.b. Seri uyartımlı (sargılı) BDC motorlar (Series excited (wound) BDC motors)
(3)
II.c. Kompunt uyartımlı (sargılı) BDC motorlar (Compound excited (wound) BDC
motors) (4)
II.c.1. Eklemeli kompunt sargılı BDC motorlar (Cumulative compounding BDC
motors)
II.c.2. Çıkarmalı kompunt sargılı BDC motorlar (Differential compounding BDC
motors)
• Statoruna kalıcı mıknatısların yerleştirildiği BDC motorlar:
Kalıcı mıknatıslı BDC motorlar (Permanent magnet BDC motors) (5) [1].
Fırçalı DC motorların çeşitlerinde genellikle, fırçalı doğru akım (BDC) ifadesi yerine,
sadece DC ifadesi kullanılır.
2.5.1 Yabancı uyartımlı BDC motorlar
Endüvi ve kutup sargılarının her biri elektriksel olarak ayrıdır. Kutup sargısı ayrı bir
DC kaynak tarafından uyarılır [38]. Şekil 2.14’de yabancı uyartımlı bir BDC motorun
eşdeğer devresi görülmektedir.
18
Şekil 2.14: Yabancı uyartımlı BDC motor eşdeğer devresi [38].
,
,
ve
’nin adı geçen devre kutup (uyartım) devresi;
,
,
ve
’nin adı
geçen devre ise armatür (endüvi) devresidir. Toplam giriş gücü ise,
(2.11)
Birçok uygulamalarda tork ve hız ilişkisi önem arz etmektedir. Motor yüklü iken de
aynı hızı sürdürmesi istenmektedir. Hızın geniş bir aralıkta kontrolü gerekmektedir.
Bu nedenlerle hız ve tork ilişkisi motorlar için çok önemli olmaktadır [38].
Hız regülasyonu:
Açısal hız ( ) ile dakikadaki rotor dönüş (devir) sayısı ( ) arasındaki ilişki;;
(2.12)
Motorların
performans
göstergelerinden
birini
teşkil
eden
husus
da
hız
regülasyonudur. Hız regülasyonu;
(2.13)
şeklinde ifade edilir. Burada,
, motorun yüksüz durumdaki devir sayısıdır.
ise, motorun anma yükündeki devir sayısıdır [38].
Tork-hız karakteristikleri:
Endüklenen voltaj;
(2.14)
şeklindedir. Burada,
armatür sabiti olup motorun manyetik özelliklerine ve
geometrisine göre değişir.
dönüş hızı,
kutup akısıdır. Endüvide oluşan tork;
(2.15)
şeklindedir. 2.15 nolu denklemden
çekilirse;
19
(2.16)
elde edilir. 2.14 nolu denklem düzenlenip
yerine 2.16’daki eşiti konulursa;
(2.17)
elde edilir. Bu eşitlikten
çekilirse;
(2.18)
şeklinde elde edilir. 2.18 eşitliği, yabancı uyartımlı BDC motorun tork ve hızı
arasındaki ilişkiyi ifade eder. Eğer
ve
sabit tutulursa, tork –hız ilişkisi düz bir
çizgi şeklinde olur. Şekil 2.15’de tork-hız eğrisi görülmektedir.
Şekil 2.15: Yabancı uyartımlı BDC motorun tork-hız karakteristikleri [38].
Tork, çıkış şaftının hızı ile ters orantılıdır. Motor karakteristikleri sıklıkla, şekil
2.15’deki grafikte şu iki noktaya işaret eder;
Birincisi, aşırı yük torku maksimum torku temsil eder. Bu durumda, motor şaftı
hareketsizdir.
İkincisi, yüksüz durumdaki hız, motorun maksimum çıkış hızını ifade eder. Bu
durumda, çıkış şaftına tork uygulanmaz.
Motorun yükü, tork eğrisinde çalışma noktasını belirler. Şekil 2.16’da belirtildiği gibi,
bir yük çalıştırılmak için motor şaftına bağlandığında, yük tarafından talep edilen tork
ve motor tarafından üretilen torkun etkileşimi çalışma noktasını belirler.
20
Şekil 2.16: Yabancı uyartımlı BDC motorun ve mekaniki yükün etkileşimi [38].
Motorun başlangıç torku, yük tarafından talep edilen torktan yani yük torkundan
daha yüksektir. Motor dönüşe ve hızlanmaya başladığında üretilen tork azalır. Son
olarak, şekil 2.16’da gösterilen iki tork birbirleriyle dengelendiğinde, motor stabil bir
çalışma noktasına gelmiş olur [38].
Verim:
Giriş gücü (
), 2.11 nolu denklemde verilmiştir. Alan (kutup) sargılarında ısıya
dönüşen güç kayıpları;
(2.19)
şeklinde ifade edilir. Bir de, endüvi sargı dirençlerinde kaybolan güç vardır. Bu da;
(2.20)
olarak tanımlanır. Toplam güç kaybı, iki sargıda oluşan kayıplar toplamıdır. Bunlar
da toplam bakır kayıpları olarak isimlendirilir.
Toplam bakır kayıpları = Alan kayıpları + Endüvi kayıpları
Üretilen güç, giriş gücünden bakır kayıpları çıkarılarak bulunur. Üretilen güç;
(2.21)
21
olarak ifade edilir. Çıkış gücü ve tork, rotasyonel (döner) kayıplardan dolayı üretilen
değerlerden daha küçüktür. Rotasyonel kayıplar; sürtünme, rüzgar, fuko akımı ve
histerezis kayıplarını içerir. Rotasyonel güç kaybı, yaklaşık olarak motor hızıyla
orantılıdır.
[Çıkış gücü (
) = Üretilen güç – Rotasyonel kayıplar] olarak ifade edilebilir.
Yabancı uyartımlı BDC motorun % verimi;
(2.22)
şeklindedir. Verim ifadesinde, denkleme kayıplar katılarak;
(2.23)
şeklinde ifade edilir. Şekil 2.17’de bu motorlarda güç akışı gösterilmiştir.
Şekil 2.17: Yabancı uyartımlı BDC motorda güç akışı [38].
Not edilmelidir ki, rotor içerisinde üretilen tork, rotasyonel kayıplardan dolayı çıkışta
yüke sağlanan torktan (çıkış torku) farklıdır [38].
BDC motorun eşdeğer devresi konusu içerisinde verilen eşitlikler yabancı uyartımlı
BDC motorlar için de geçerlidir.
Bu motorlar, düşük hızlarda yüksek tork üretebilme yeteneğine sahip oldukları için
kullanılırlar. Bu da, ayrı olarak üretilen yüksek bir stator kutup akımı ve gerekli rotor
tork akımını sağlayan yeterli büyüklükte armatür voltajı tarafından başarılır [1].
Yabancı uyartımlı BDC motorları, çift uyartımlı bir doğru akım motorudur. Yani hem
endüvi devresi, hem de uyartım devresi tarafından kontrol edilebilir [40].
22
2.5.2 Şönt uyartımlı BDC motorlar
Armatür ve kutup sargısı paralel bağlanmıştır. Armatür voltajı ve kutup sargısı voltajı
aynıdır [38]. Şekil 2.18’de şönt uyartımlı bir BDC motorun eşdeğer devresi
gösterilmiştir.
Şekil 2.18: Şönt uyartımlı BDC motor eşdeğer devresi [34].
Toplam (hat veya yük akımı) akım ( ), statordaki şönt sargıdan geçen (uyartım)
akım ( ) ile endüviden geçen akımın ( ) toplamına eşittir.
(2.24)
Uygulanan kaynak veya terminal gerilimi (
), endüvi uç gerilimi ( ) ve uyartım
gerilimi ( ) aynı olup;
(2.25)
Uyartım akımı;
(2.26)
Şekil 2.18’deki devrenin gerilim denklemi;
(2.27)
Daha önce verilen 2.10 denkleminde
’nin eşiti yazılırsa;
(2.28)
2.28 denklemindeki sabitler, tek bir sabite olarak tanımlanırsa;
(2.29)
Bu durumda, zıt emk da şöyle ifade edilebilir;
23
(2.30)
Kaynak gerilimi ve alan direnci sabit olmak şartıyla,
değeri
ile orantılı olarak
değişim gösterir [40].
Endüvi güç-akım karakteristiği:
Endüvide üretilen güç ( );
(2.31)
Şönt motorun gerilim denklemindeki (2.27)
’yi çekip 2.31 denkleminde yerine
koyarsak;
(2.32)
Denklem 2.32 açılırsa,
, haline gelir. Buradan
;
(2.33)
eşitliği elde edilir. 2.33 eşitliğinden
değeri elde edilir;
(2.34)
değeri 2.32 denkleminde yerine konulursa
değeri elde edilir;
(2.35)
Normal çalışma bölgesinde, 2.33 nolu denklemde, karekökün önündeki işaretli
olanlardan negatif olanı alınır. Yani endüvi akımının eşiti;
(2.36)
şeklinde olur. Eğer
değeri ihmal edilecek olursa endüvi akımı yaklaşık olarak;
(2.37)
eşitliğiyle hesaplanır [40]. Şönt motorun
eğrisi şekil 2.19’da verilmiştir.
24
Şekil 2.19: Şönt uyarmalı BDC motorda endüvi gücü-akımı ilişkisi [40].
Moment-hız karakteristiği:
Endüvide üretilen moment;
(2.38)
endüvi gücünün açısal hıza oranıdır. 2.30 nolu denklemden
denklemde yerine konulursa ve 2.31 nolu denklemden
çekilip 2.38 nolu
yerine eşiti yazılırsa;
(2.39)
elde edilir. 2.39 nolu denkleme göre endüvi iç momenti, endüvi akımı ile doğru
orantılı olarak değişmektedir. Bu durum şekil 2.20’de de gösterilmiştir.
Şekil 2.20: Şönt uyarmalı BDC motorda endüvi momentinin endüvi akımı ile değişimi [40].
2.27 denkleminden
çekilerek, 2.30 denkleminde
yerine eşiti konulursa açısal
hız, endüvi akımı ile ifade edilebilir.
(2.40)
25
Motor yüksüzse,
olduğundan açısal hızın ifadesi;
(2.41)
şeklinde olur. 2.40 nolu denklem
yerine
şeklinde ifade edilerek
yazılırsa 2.42 nolu denklem elde edilir.
(2.42)
2.42 nolu denklemdeki
değeri ihmal edilebilecek derecede küçük bir değerdir. Bu
nedenle şönt motorlar pratikte sabit devirli motorlar olarak anılır. Şekil 2.21’de açısal
hızın endüvi akımı veya momenti ile değişim eğrisi verilmiştir.
Şekil 2.21: Şönt uyarmalı BDC motor devir sayısının endüvi akımı (veya momenti) ile
değişimi [40].
2.40 nolu denklemden
çekilip 2.39 nolu denklemde
yerine 2.40’deki
’nın eşiti
konulursa endüvi momenti eşitliği;
(2.43)
elde edilir. 2.41 nolu denklemden
elde edilerek 2.43 nolu denklemde
yerine bu eşiti yazılırsa;
(2.44)
endüvi momentinin hıza bağlı değişimi elde edilir. 2.44 eşitliğindeki
motorun
yüksüz haldeki hızıdır. Eğer, hızın endüvi momentine bağlı değişimi istenirse,
çekilerek;
(2.45)
elde edilir [40].
26
Güç kayıpları ve verim:
Motorun giriş gücü;
(2.46)
şeklindedir. Bu ifadede,
yerine 2.24’deki eşiti yazılırsa;
(2.47)
elde edilir. Bu eşitlikteki,
ifadesi
’ye eşittir. Bu da, şönt alan sargısı direncinde
harcanan güç değeridir ve;
(2.48)
şeklinde tanımlanır. Endüviye giriş gücü (
); endüvi güç kayıpları, döner kayıplar
ve mekanik çıkış gücünü karşılar. Mekanik çıkış gücü ise;
(2.49)
şeklindedir. Çıkış gücünün giriş gücüne oranı verimi ifade eder. Bu da;
(2.50)
şeklindedir [40].
Kutup bobininden ve armatürden geçen akım birbirinden bağımsızdır. Bunun
sonucu, bu motorlar mükemmel hız kontrolüne sahiptir. Şönt sargılı motorlar tipik
olarak, 5 ya da daha fazla HP gereken endüstriyel ve otomotiv uygulamalarında
kullanılır. Bu motorlarda, kalıcı mıknatıslı BDC motorlarda rastlanılan manyetik
kayıplar (mıknatısların özelliğinin azalması) söz konusu olmadığından, bu motorların
kullanımı genellikle daha sağlıklı sonuç verir [28].
Normal çalışma esnasında, besleme voltajı arttırıldığında motorun toplam akımı,
stator ve rotor kutup alanlarının artması sebebiyle artacaktır. Toplam akım arttığında
da, motor hızı artacaktır. Bunun sonucunda da, motor torku azalacaktır.
Bununla birlikte, motora bir yük bindirildiğinde, rotor kutup alanının artması
sebebiyle rotor akımı artacaktır. Rotor akımının artması da, stator kutup alanının
azalması sebebiyle şönt (stator) akımını azaltacaktır. Bu da, motor hızının
azalmasına sebep olacaktır. Bunun sonucunda da, motor torku artacaktır.
Özetlenirse;
•Yüksüz çalışmada;
↑→
↑→Hız ↑ → Stator/rotor kutup alanı ↑ → Tork ↓
27
•Yüklü çalışmada; motor yükü ↑ →
↑→
↓ → Stator kutup alanı ↓ → Rotor kutup
alanı ↑ → Hız ↓ → Tork ↑ şeklinde kısaca ifade edilebilir.
Şönt sargılı BDC motorlar, yüksek hızlarda azalan tork; düşük hızlarda yüksek ama
daha dengeli, tutarlı bir tork performans karakteristiğine sahiptir. Mükemmel hız
kontrol karakteristiklerine sahiptir. Bazı olumsuz tarafları da vardır. Örneğin kalıcı
mıknatıslı BDC motorlara göre daha pahalıdır. Aşırı hızlarda uyartım akımı azalarak
sıfıra gider ki; bu durum tehlikeli bir durumdur ve motorun parçalara ayrılmasına
neden olabilir [35].
2.5.3 Seri uyartımlı BDC motorlar
Kutup sargısı ve endüvi sargısı seri olarak bağlanmıştır. Kutup sargısı ile endüvi
sargısından aynı akım geçer [38]. Şekil 2.22’de seri uyartımlı BDC motorun eşdeğer
devresi görülmektedir.
Şekil 2.22: Seri uyartımlı BDC motor eşdeğer devresi [34].
(2.51)
(2.52)
(2.53)
(2.54)
olarak ifade edilir [40].
Endüvi güç-akım karakteristiği (
):
Endüvide üretilen güç ifadesi;
(2.55)
28
şeklindedir. Denklem 2.53’den
çekilip 2.55 nolu denklemde yerine konulursa;
(2.56)
elde edilir. Denklem 2.56 açılırsa ikinci dereceden bir denklem ortaya çıkar. Bu;
, denklemidir. Buradan
;
(2.57)
şeklinde elde edilir. Karekökün içerisindeki terim sıfıra eşit olduğunda en büyük
değeri bulunur. O halde maksimum endüvi akımı;
(2.58)
şeklinde elde edilir. Maksimum endüvi akımı, 2.56 denkleminde yerine konulursa
motor tarafından sağlanabilecek en yüksek güç değeri;
(2.59)
şeklinde elde edilir. Doğru akım motoru, maksimum endüvi gücünden oldukça
aşağıda bir çalışma aralığında çalışır. Motorun normal çalışma bölgesinde, 2.57
nolu denklemdeki ifadenin (-) işaretlisi alınır.
(2.60)
Şekil 2.23 seri motor endüvisinde üretilen gücün endüvi akımı ile değişimini
göstermektedir.
Şekil 2.23: Seri uyartımlı BDC motor endüvisinde üretilen gücün endüvi akımı ile değişimi
[40].
Denklem 2.56’da endüvi ve seri alan dirençleri ihmal edildiğinde;
29
(2.61)
elde edilir. Bu yeni
değeri, 2.60 nolu denklemden elde edilen
düşük bir değerdir. Ancak, yapılacak akım hatası düşük
değerinden daha
güçlerinde çok azdır.
Endüvide üretilen güçten rotasyonel (döner) kayıpların çıkarılması ile motorun mil
gücü (çıkış gücü) elde edilir [40]. Bu durum şekil 2.24’de gösterilmiştir.
Şekil 2.24: Seri uyartımlı BDC motorun endüvi akımı ile çıkış ve endüvi gücünün değişimleri
[40].
Moment-hız karakteristiği:
Endüvide üretilen moment yani iç moment ifadesi;
(2.62)
2.54 ve 2.55 nolu denklemlerin kullanılmasıyla;
(2.63)
elde edilir. Moment, nüvenin doymadığı bölgede endüvi akımının karesi ile değişir;
doyum bölgesinde ise, akımla doğrusal bir biçimde artar. Bu durum şekil 2.25’de
gösterilmiştir.
30
Şekil 2.25: Seri uyartımlı BDC motor endüvi momenti-akımı ilişkisi [40].
2.54 denklemindeki
’nin eşiti, 2.53 yerine konulursa oluşan yeni denklemde
yer
almaz ve;
(2.64)
şeklinde olur. 2.64 denkleminden
’yı çekersek;
(2.65)
ifadesi elde edilir. Bu da, endüvi akımı terimleri ile açısal hız ifadesidir. Denklem
2.65, endüvi akımı çok küçük bir değer alsa bile motorun çok yüksek devirlere
çıkabildiğini açıklar. Bu sebepten motor yüksüz iken devir sayısı çok aşırı değerlere
çıkar ve bu da tehlikeli durumlar yaratır. Bunun için DC seri motorlar hep motor
miline yükün bağlı olduğu uygulamalarda çalıştırılır. Yani yüksüz çalıştırılmaz.
Şekil 2.26’de DC seri motorun devir sayısı ile endüvi akımı ilişkisi gösterilmiştir.
Şekil 2.26: Seri uyartımlı BDC motorun endüvi akımı ile devir sayısı değişimi [40].
2.65 nolu denklemden
çekilirse, endüvi akımı açısal hız ile tanımlanabilir.
(2.66)
31
2.66 nolu denklemdeki
’nın eşiti, 2.63 nolu denklemde yerine konulursa;
(2.67)
elde edilir. Bu denklem, şekil 2.27’da gösterilen seri motorun moment-hız
karakteristiğini ifade eder [40].
Şekil 2.27: Seri uyartımlı BDC motorun moment-hız karakteristiği [40].
Güç kayıpları ve verim:
Seri uyartımlı BDC motorda giriş gücü;
(2.68)
şeklinde ifade edilir. Endüvi ve seri alan dirençlerinin kayıpları, döner kayıplar (
motor içindeki güç kayıplarını oluşturur. Kayıplar (
)
);
(2.69)
şeklindedir. Motor giriş gücünden, güç kayıplarının çıkartılmasıyla çıkış gücü ( )
bulunur.
(2.70)
Motor verimi ise;
(2.71)
Motorun verimi, endüvi akımına ve dolayısıyla yüke göre değişir. Endüvi akımı
arttıkça maksimum verime ulaşıncaya değin verim de artar. Maksimum verime
ulaştıktan sonra akım arttırılmaya devam ederse, verim düşer. Verimin maksimum
değeri ise;
(2.72)
32
şeklinde hesaplanır. Terminal geriliminin arttırılması veya endüvi ve seri alan
dirençlerinin azaltılmasıyla, motorun maksimum verimi arttırılabilir [40].
Bu motorlar, yüksek tork uygulamaları için ideal bir seçimdir. Çünkü, yük altında
hem stator, hem de rotor akımı artar. Bununla beraber, seri BDC motorlara, şönt
veya kalıcı mıknatıslı BDC motorlar gibi hassas hız kontrolü yapılamaz [28].
Hız, yükle otomatik olarak değişim gösterir. Yük azalıyorken, hız artar. Seri motorlar,
yüksek güç talebi gerektiğinde, genellikle birtakım sınırlamalar gösterir [1].
Yüksüz normal çalışma esnasında; besleme voltajı arttırılırsa, motor akımı artar. Bu
durum, stator ve rotor kutup alanlarının ve motor hızının artmasına, torkun
azalmasına sebep olur.
Motorun yüklü çalışmasında; yük artarsa, motor akımı artacak, bu da stator ve rotor
kutup alanlarını arttıracaktır. Böylelikle, motor hızı azalacak, tork artacak ve artan
motor yükü karşılanacaktır.
Özetlenirse;
Yüksüz çalışmada; besleme voltajı ↑ →
↑ →stator/rotor kutup alanı ↑ →hız ↑
→ tork ↓
Yüklü çalışmada; motor yükü ↑ →
↑ →stator/rotor kutup alanı ↑ → hız ↓ →tork
↑ şeklinde kısaca ifade edilebilir.
Seri sargılı BDC motorlar, çok büyük hızda, küçük torka sahiptir. Ama yük
kaldırılırsa hız, keskin bir şekilde artacaktır. Yüksek tork uygulamaları için, örneğin
krenlerde ve vinçlerde kullanımı uygundur. Çünkü yük altında stator ve rotor
akımlarının her ikisi de artar. Bazı olumsuz yönleri de vardır; Düşük hız-yüksek tork
karakteristiğine sahip olan bu motor, yüksek hız durumunda zararı önlemek için bir
yük bağlı olarak kullanılmalıdır. Kalıcı mıknatıslı ve şönt sargılı BDC motorlar gibi
hassas hız kontrol karakteristiklerine sahip değildir. Eğer seri stator alanı kısa devre
yapılırsa, motor aşırı hızlara çıkabilir. Bu durum, tehlikeli bir durum olup motor
bütünüyle parçalara ayrılabilir [35].
2.5.4 Kompunt uyartımlı BDC motorlar
Bu motorlarda, hem seri hem de şönt alan sargıları bulunur. Toplam manyetik akı,
bu iki sargının birleşik etkisinden oluşur. Şönt alanın etkisi, seri alanın etkisinden çok
yüksektir. Seri alan şönt alanın etkisini kuvvetlendiriyorsa bu makinaya “artırmalı
veya eklemeli kompunt”, seri alan şönt alanın etkisini zayıflatacak istikamette ise bu
makinaya “azaltmalı veya çıkarmalı kompunt” denir.
33
Seri sargının endüvi sargısı ile seri bağlanıp şönt sargının ise uygulanan kaynağa
paralel olarak bağlandığı motor şekline “uzun şönt kompunt motor” denir. Seri
sargının kaynak ile seri bağlanıp şönt sargının ise endüviye paralel olarak
bağlandığı motor şekline ise “kısa şönt kompunt motor” denir. Burada uzun şönt
kompunt motor incelenmiştir. Şekil 2.28’de uzun şönt kompunt motorun eşdeğer
devresi gösterilmiştir.
Şekil 2.28: Uzun şönt kompunt BDC motor devresi [40].
Eklemeli DC kompunt motorların alan akısı;
(2.73)
ve
sabiteleri, doğrusal mıknatıslanma bölgesinde çalıştığı kabul edilen
motorun şönt ve seri sargı parametrelerini temsil eder. Çıkarmalı kompunt motorun
alan akısı;
(2.74)
2.73 ve 2.74 denklemlerinde ilk terimler sabittir. Ancak ikinci terimler endüvi akımı ile
dolayısıyla yükle doğrusal bir değişim gösterir. Şekil 2.28’deki devreden yük akımı,
gerilim, uyartım akımı, moment ve endüvi gücü denklemleri yazılabilir.
(2.75)
(2.76)
Endüvi momentinin ifadesi;
(2.77)
34
şeklindedir. Endüvi gücünün ifadesi;
(2.78)
şeklindedir. Zıt emk eşitliği;
(2.79)
şeklinde ifade edilir. 2.73 ve 2.74 denklemlerinin kullanarak zıt emk;
(2.80)
şeklinde elde edilir. 2.80 denklemindeki
yerine; (+) kullanıldığında eklemeli
kompundu, (-) kullanıldığında çıkarmalı kompundu ifade eder. Bu denklemler
kompunt motorun performans analizi için kullanılır. 2.75 nolu denklemden
çekilip
’nin eşiti 2.78 nolu denklemde yerine konulursa;
(2.81)
denklemi elde edilir ki bu denklem seri motorunkinin aynısıdır. Endüvi momenti için;
(2.82)
elde edilir. 2.73 ve 2.74 nolu denklemlerde ifade edilen
değeri 2.82 denkleminde
yerine konularak;
(2.83)
kompunt motorun ürettiği moment ifadesi elde edilir. Denklem 2.83 kompunt
motorun ürettiği momentin, hem seri hem de şönt motor karakteristiklerinin bileşkesi
olduğunu gösterir. Bu durum, şekil 2.29’da da gösterilmiştir.
Şekil 2.29: Değişik bağlantılı DC motorlar için üretilen moment-endüvi akımı eğrilerinin
karşılaştırılması [40].
35
Eklemeli bir DC kompunt motor, aynı endüvi akımında, şönt motora kıyasla daha
yüksek moment üretmektedir. Çıkarmalı bir DC kompunt motor ise, aynı endüvi
akımında, şönt motora kıyasla daha düşük bir moment üretmektedir.
2.75 ve 2.80 nolu denklemler kullanılarak;
(2.84)
endüvi akımı ile motor açısal hızı arasındaki bağıntı elde edilmiş olur. 2.84
denkleminin (+) işaretlisi eklemeli kompunt için olup bu motor tipinde yük yani
endüvi akımı artarsa motor hızı azalır. Şekil 2.30’da da görüldüğü gibi, artan yüke
göre hız azalması, eklemeli kompuntta şönt motora kıyasla daha fazladır.
Şekil 2.30: Değişik bağlantılı DC motorlar için hız-endüvi akımı eğrilerinin karşılaştırılması
[40].
2.84 denkleminin (-) işaretlisi, çıkarmalı kompunt motor için olup çıkarmalı kompunt
motorda, endüvi akımı dolayısıyla yük arttıkça devir sayısı artmaktadır.
değeri sıfıra yaklaşırsa, motorun devri tehlikeli sınırlara çıkar ve motor
kontrolü
kaybedilir.
Çıkarmalı
kompunt
motorların
yapısından
kaynaklanan
kararsızlıkları nedeniyle pratikte pek kullanılmazlar [40].
Moment-hız karakteristiği:
Kompunt
motorun
hız-moment
karakteristikleri,
şönt
ve
seri
motorların
karakteristiklerinden yararlanılarak elde edilebilir. 2.83 nolu denklemi açarsak;
elde edilir. Bu denklemde
olarak tanımlanmak suretiyle,
2.84 nolu denklemde
,
olarak ifade edilebilir.
çekilerek;
(2.85)
36
hıza bağlı olarak endüvi akımı eşitliği elde edilir. Son olarak endüvi momenti
eşitliğinde,
yerine 2.85 nolu denklemden elde edilen eşiti yazılıp sonra bu eşitlik
parantezine alınırsa;
(2.86)
kompunt motorun moment denklemi ifade edilmiş olur. Bu denklemde, şönt ve seri
alanların katkısından oluşan iki moment bileşeni görülmektedir [40].
Kompunt motorun davranışı;
Motor yükü↑→
↓→ Şönt alan↓→
↑→ Seri alan / rotor alanı↑→ Hız↓→ Tork↑
şeklinde özetlenebilir [35].
Kompunt motorların bazı özelliklerinden bahsedersek;
Şönt ve seri DC motorların performans özelliklerine sahiptir. Seri motorların sahip
olduğu ağır yükte, düşük hızda yüksek tork kabiliyetine haizdir. Şönt motorlar gibi
çok iyi hız kontrolü yapılabilir. Endüstriyel ve otomotiv uygulamalarında kullanılır.
Bununla beraber bu motorlar; kalıcı mıknatıslı, şönt uyartımlı veya seri uyartımlı
BDC motorlara göre daha pahalıdırlar [35].
Kompunt motorlar, seri motorlara nazaran daha iyi hız kontrolü sağlarlar. Şönt
motorlardan da daha yüksek torka sahiptir [28].
2.5.5 Kalıcı mıknatıslı BDC motorlar
Günümüzde, kalıcı mıknatıslı BDC motorlar çok yaygındır. Bu motorlar, stator
alanının üretimi için kalıcı mıknatısları kullanırlar. Genellikle oyuncaklar, radyo
kontrol hobi uygulamaları, elektrikli arabalarda kullanılmaktadırlar. Sargılı statorlu
BDC motorlara göre daha ucuza üretilir. Kalıcı mıknatıslı BDC motorlar tarafından
üretilen tork sınırlıdır. Düşük hızda iyi bir tork, ama yüksek hızda sınırlı bir tork
üretirler. Sabit stator alanından dolayı, voltaj değişikliklerine çok hızlı cevap verirler
ve iyi bir hız kontrol yeteneğine haizdirler [35].
Bu motorlar, dizaynı gereği daha küçük, daha hafif bir yapı ve enerji verimliliği
sağlarlar [1].
Kalıcı mıknatıslı BDC motorların performans eğrisi (voltaj-hız) tamamen doğrusaldır.
Akım-tork eğrisi de, doğrusal olarak değişir [28].
Bu motorlarda, gerekli manyetik alanı üretmek için, dışarıdan bir uyartım kaynağına
ihtiyaç yoktur. Böylece, uyartım kayıpları da ortadan kalkmıştır [40].
37
Bunun dışında bazı dezavantajlara da sahiptir. Kalıcı mıknatıslı BDC motorlarda,
mıknatıslar zamanla manyetik özelliklerini kaybederler [28]. Bunun sonucu olarak,
stator alanındaki zayıflama, motor performansının da azalmasına sebep olur [35].
Bu zaafiyeti önlemek için, bazı kalıcı mıknatıslı BDC motorlar sargılı bir yapıya
sahiptir [28]. Şekil 2.31’de kalıcı mıknatıslı bir DC makinanın yapısı görülmektedir.
Şekil 2.31: Kalıcı mıknatıslı bir doğru akım makinasının yapısı [40].
Şekil 2.31’da görülen oklar mıknatıslanmanın yönünü ifade etmektedir. Dış gövde,
bu motorlarda iki görev üstlenir. Birincisi, mıknatısların mekanik olarak korunması;
ikincisi, mıknatıs manyetik alanının dönüş yolunun sağlanmasıdır. Diğer fırçalı DC
motorlarda, kutup akısı alan sargıları akımı tarafından sağlanmaktadır. Dolayısıyla,
alan sargı akımlarını kontrol etmek suretiyle kutup manyetik akısının kontrolü
yapılmaktadır. Oysa bu motorlarda, kutup akısı kalıcı mıknatıslar tarafından
sağlandığından kutup akısının kontrolü mümkün değildir ve kutup akısı sabittir [40].
Eşdeğer devre:
Şekil 2.32’de kalıcı mıknatıslı bir DC makinanın eşdeğer devresi görülmektedir.
Şekil 2.32: Kalıcı mıknatıslı bir doğru akım makinasının eşdeğer devresi [40].
Kalıcı mıknatıslı BDC motorların eşdeğer devresi, yabancı uyartımlı BDC motorlara
benzerdir. Farklılığı, uyartım sargısı bağlantısının olmamasıdır.
38
Statoru sargılı BDC motorlarda zıt emk;
idi. Buradaki, , alan sargısı ekseni boyunca bir kutbun net akısıdır.
ise geometrik sabittir.
Kalıcı mıknatıslı BDC motorlar, sabit kutup akısına sahip olduğundan zıt emk;
(2.87)
olarak tanımlanır ve motorun
olarak ifade edilir. 2.87 denklemindeki,
moment sabiti olarak isimlendirilir. Bu sabite, motorun manyetik özelliklerinin ve
geometrisinin bir fonksiyonu şeklindedir.
Uygulanan terminal gerilimi;
(2.88)
şeklindedir. 2.88 denkleminden
çekilerek, motorun çektiği akım;
(2.89)
şeklinde ifade edilir [40].
Hız-moment ve akım-moment karakteristikleri:
Motorun endüvisinde üretilen güç;
(2.90)
şeklindedir. Moment ifadesi;
(2.91)
şeklinde ifade edilir. Şekil 2.33’de bu motorların hız-moment ve akım-moment
karateristikleri gösterilmiştir.
Şekil 2.33: Kalıcı mıknatıslı BDC motorun hız-moment, akım-moment karakteristikleri [40].
39
Şekil 2.33’de de görüldüğü gibi, kalıcı mıknatıslı BDC motor sabit kutup akısına
sahip olduğundan hız-moment ve akım-moment karakteristikleri doğrusal bir özelliğe
sahiptir. Hız-moment ifadesi;
(2.92)
şeklinde ifade edilir. Akım-moment ifadesi ise;
(2.93)
biçimindedir. 2.92 denklemi ile tanımlanan hız-moment karakteristiğindeki kontrol, ya
endüvi
devresi
direnci
değiştirilerek
ya
da
kaynak
gerilimi
değiştirilerek
gerçekleştirilir.
Kaynak geriliminde olan değişiklikler, boş çalışma hızını yani
’ı etkiler. Fakat şekil
2.34’de de görüldüğü gibi, hız-moment karakteristiğinin eğimini etkilemez.
Şekil 2.34: Farklı kaynak gerilimlerindeki hız-moment karakteristikleri [40].
Endüvi devresi direnci değiştirildiğinde, hız-moment karakteristiğinin nasıl değiştiği
şekil 2.35’de gösterilmiştir. Bu eğride, boş çalışma hızının aynı değerde kaldığı,
buna karşılık eğrinin eğiminin kontrol edilebildiği görülmektedir.
Şekil 2.35: Farklı endüvi devresi dirençlerindeki hız-moment karakteristikleri [40].
40
Bu motorlarda, motorda kullanılan kalıcı mıknatısların hacmi değiştirilirse veyahut
hacmi aynı olup farklı akı yoğunluğunda kalıcı mıknatıslar kullanılırsa birçok farklı
hız-moment karakteristikleri elde edilebilir.
Bu motorlarda, endüvi reaksiyonu kutup akısını zayıflatıcı etki gösterir. Bunun
etkisini azaltmak amacıyla hava aralığı biraz daha geniş yapılır. Endüvi akımı ile
orantılı olarak endüvi reaksiyonunun etkisi artar.
Bu motorların tasarımında sıcaklık etkisi göz önünde tutulmalıdır. Çünkü sıcaklık
artışı, mıknatısların kalıcı mıknatısiyet değerlerini azaltır [40].
2.6 Bazı BDC Motorların Karşılaştırılması
Aşağıda, çizelge 2.1’de söz edilen beş kritere göre, dört çeşit BDC motorun
karşılaştırılması yapılmıştır.
Çizelge 2.1: Bazı BDC motorların karşılaştırılması [35].
Karakteristik
Kalıcı Mıknatıslı
BDC Motor
Şönt Sargılı
BDC Motor
Seri Sargılı
BDC Motor
Kompunt Sargılı
BDC Motor
Maliyet
Düşük
Orta
Orta
Yüksek
Manyetizma
Kaybı
En kötü
Yok
Yok
Yok
Tork-Hız İlişkisi
Düşük hızda iyi
tork,
Yüksek hızda
daha az tork
Düşük hızda iyi,
tutarlı tork
Düşük hızda,
çok büyük tork
Düşük hızda,
en iyi tork
Güvenlik
(Motorun aşırı
hızında)
Mümkün değil
Yüksek olanaklı
Yüksek olanaklı
Düşük olanaklı
Hız Kontrolü
Mükemmel
Mükemmel
Zayıf
Çok iyi
2.7 BDC Motorların Olumlu ve Olumsuz Yönleri
BDC motorlar, tüm elektrik motor dizaynlarının en eskilerinden biridir. Genellikle,
değişebilir hız ve tork kontrolü için seçilen bir motordur [1].
41
Olumlu yönleri:
• Bu motorlar basit bir yapıya sahiptir. Bundan dolayı, bir kontrolör kullanımı
gerektirmezler. Eğer bir kontrolör seçilirse, bu kontrolör basit ve ucuz bir çalıştırma
dizaynına sahiptir.
• BDC motor uygulamaları, anlaşılabilir bir dizayn teknolojisi sağlar.
• BDC motor dizaynı oldukça basittir. Kalıcı manyetik alan, ya kalıcı mıknatıs
kullanmak ya da elektromanyetik sargılar kullanmak suretiyle iki türlü oluşturulabilir.
• Eğer manyetik alan kalıcı mıknatıslarla sağlanmışsa, bu motora kalıcı mıknatıslı
BDC motor denir. Eğer manyetik alan elektromanyetik sargılarla sağlanmışsa, bu
motor sıklıkla şönt sargılı BDC motor olarak anılır. Günümüzde kalıcı mıknatıslı BDC
motor, maliyet-verimlilik ve güvenilirlik kriterleri açısından, BDC motorların
sürtünmeli beygir gücünü (HP) kapsayan uygulamalarında tercih edilir.
• Birçok endüstriyel BDC motorlar, %5-7 hız tabanından başlamak suretiyle 20:1
oranının üzerinde bir hız aralığında güvenilir bir şekilde çalışır. BDC motorların daha
düşük hız değerlerinde, çoklukla ısı yayılım özellikleri sağlanmıştır.
• BDC motorun hız kontrolü basittir. Daha yüksek armatür voltajında, daha hızlı
dönüş gerçekleşir. BDC motorun maksimum hızı için bu ilişki doğrusaldır.
• BDC motorların tork kontrolü kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Çıkış torku akımla
orantılıdır. Bundan dolayı, eğer akım sınırlanmışsa, BDC motor torku da
sınırlanmıştır.
• BDC motorlar, tekstil üretimi v.b. gibi hassas uygulamalar için ideal bir seçimdir.
• Basit ve ucuz bir kontrol dizaynına sahip olduğundan, değişken hız ve değişken
tork elektroniği dizayn ve üretimi de kolaydır.
Olumsuz yönleri:
• Bir BDC motor, en düşük hızların kontrolünde daha az güvenilirdir.
• Bir BDC motor, aynı torku üretebilecek diğer motorlara nazaran fiziksel olarak
daha büyüktür.
• Bir BDC motor, bir BLDC motor gibi olmayıp çok bakım gerektirir.
• Bir BDC motor, toza karşı hassastır ve performansı zamanla azalır [1].
42
2.8 BDC Motorların Hız Kontrolü
Birçok uygulamalar, motor hızının geniş sınırlar içerisinde ayarlanmasını gerektirir.
DC motorlar AC motorlarla karşılaştırıldığında, DC motorların hızlarının rahatlıkla
değiştirilebilir olması onları cazip kılar.
Yabancı uyartımlı BDC motorlarda zıt emk,
idi. Buradan
hız,
(2.94)
olarak elde edilir ki, bu eşitlik hızın nasıl kontrol edilebileceğini açıkça gösterir.
• Endüvi voltajını kontrol ederek (
değiştirilerek)
• Alan kontrolüyle ( değiştirilerek)
• Endüvi direnci kontrolüyle (
değiştirilerek) [38].
2.8.1 Endüvi voltajı kontrolü
Bu metot, genellikle yabancı uyartımlı BDC motorlara uygulanır. Bu metotla hız
kontrolünde,
ve
sabit tutulur.
Normal çalışmada, endüvi direnci üzerindeki gerilim düşümü (
karşılaştırıldığında küçüktür. Bundan dolayı
olduğundan,
),
ile
kabul edilir.
kabulune göre açısal hız;
(2.95)
olacaktır. Bu eşitlikten;
• Eğer akı sabit tutulursa, hız
ile doğrusal olarak değişir.
• Terminal voltajı arttırıldığında, hız da aynı şekilde artar. Hız ve uygulanan voltaj
ilişkisi, şekil 2.36’da gösterilmiştir.
Şekil 2.36: Uygulanan voltajla hızın değişimi [38].
43
Bu metot, hız kontrolünde düzgün bir değişim sağlar [38].
2.8.2 Alan kontrolü ( )
Bu metotla hız kontrolünde,
ile
ve
sabit kalır. Bundan dolayı 2.94 nolu eşitlikten,
orantılı olacaktır. Manyetik doğrusallık farz edildiğinde,
olacaktır ya da
ile
ile
orantılı
orantılı olacaktır. Bu da demektir ki; hız, alan akımı ( )
tarafından kontrol edilebilmektedir.
• Alan (uyartım) akımı, uyartım devresindeki ayarlı reostanın ayar değişimi
vasıtasıyla değiştirilebilir. Bu durum, şekil 2.37’de gösterilmiştir.
Şekil 2.37: Yabancı uyartımlı DC motorda reosta kullanılarak uyartım akımının
değiştirilmesiyle hız kontrolünün gerçekleştirilmesi [38].
• Toplam uyartım devresi direncinin değerinin artmasıyla, uyartım akımı azaltılır ve
bunun sonucunda da hız artar [38].
Şekil 2.38’de de, alan (uyartım) sargısı akımı ile açısal hız arasındaki ilişki
gösterilmiştir.
Şekil 2.38: Alan (uyartım) akımı ile hızın değişimi [38].
44
2.8.3 Endüvi direnci kontrolü
Endüvi devresiyle seri bağlı olarak ayarlanabilir bir direnç yerleştirilmesiyle, endüvi
üzerine düşen gerilim değiştirilebilir. Şekil 2.39’da bu konuya ilişkin devre
gösterilmiştir.
Şekil 2.39: Hız kontrolü için endüvi direnci metodu [38].
Hız-tork karakteristiklerinden 2.18 nolu denklemde
şeklinde
verilen ifade şu anlama gelir:
Sabit torka sahip bir yük için; eğer
sabit tutulursa, endüvi direnci (
ve
)
arttırıldığında, hız azalır. Endüvi sargısının direnci, verilen bir motor için sabittir.
Endüvi devresindeki toplam direnç,
direncine seri olarak ayarlanabilir bir direncin
eklenmesiyle oluşur. Bu eklenen direncin (harici direncin) hıza göre değişimi şekil
2.40’da gösterilmiştir.
Şekil 2.40: Harici endüvi direnci ile hızın değişimi [38].
Bu metot, düzgün bir hız kontrolü sağlar [38].
2.8.4 Motorlara uygulanacak doğru gerilimin sağlanması
Doğru akım motorlarında, endüvi ve uyartım sargılarına uygulanacak doğru gerilim,
ya kontrollü doğrultucularla ya da kıyıcılarla (choppers) sağlanır [40].
45
A. KONTROLLÜ DOĞRULTUCULAR:
Kontrollü doğrultucular alternatif gerilimi değişken doğru gerilime çevirirler. Sadece
AC gerilim kaynağı mevcut ise kontrollü doğrultucu endüvi veya alan sargılarına
kontrollü (ayarlı) gerilim sağlar. Kontrol işlemi, doğrultucuda kullanılan tristörlerin
tetikleme açılarının kontrolü ile sağlanır.
Doğrultucular, bir fazlı doğrultucular ve üç fazlı doğrultucular olmak üzere iki çeşittir.
Bunun dışında; bir fazlı yarım dalga doğrultucu, bir fazlı tam dalga doğrultucu, üç
fazlı yarım dalga doğrultucu ve üç fazlı tam dalga doğrultucu olmak üzere bir ve üç
fazlı doğrultucuların ayrı ayrı çeşitleri de vardır. Yarım dalga doğrultucular çok fazla
harmonik içerdiğinden, aşırı ısınma ve moment dalgalanmasına sebep olurlar. Tam
dalga doğrultucu çıkışında daha az dalgalanma olur. Bu nedenle, yarım dalga
doğrultucu türleri pek tercih edilmez.
Bir fazlı doğrultucuların basit ve ucuz oluşu nedeniyle, 5 HP ve daha düşük güçlü
motorlarda bu doğrultucular tercih edilir. Daha büyük güçlü motorlarda ise, üç fazlı
doğrultucular kullanılır. Çünkü, üç fazlı doğrultucuların harmonik bileşenleri daha
zayıftır ve doğrultucu çıkışındaki gerilimin şekli, daha az dalgalı olup düz doğruya
daha yakındır [40].
Bir fazlı tam dalga doğrultucu:
Şekil 2.41’de, bir fazlı tam dalga doğrultucu kullanılarak endüvi geriliminin kontrolü
sağlanmaktadır. Motor endüvi devresine uygulanan ortalama gerilim, tristörlerin
tetikleme açısına bağlı bir fonksiyondur.
Şekil 2.41: Bir fazlı tam doğrultucu kullanılarak DC motor endüvi geriliminin kontrolü [40].
Bu devrede, ortalama endüvi akımı;
(2.96)
46
şeklindedir. Bu denklemde
tetikleme açısıdır. 2.96 nolu denklemden
’yi
çekersek zıt emk;
(2.97)
şeklinde elde edilir. Endüvi gerilimi ise;
(2.98)
Alan (uyartım) sargısına bir fazlı tam dalga doğrultucu uygulanırsa:
Alan sargısı ortalama akımı;
(2.99)
Alan sargısı ortalama akımı ile temel (anma) alan akımı (
) arasındaki ilişki;
(2.100)
şeklindedir. Burada,
, anma alan akımının karşılığıdır. Bir fazlı tam dalga
doğrultucuya uygulanan kaynak geriliminin etkin değeri
göre
olarak tanımlanır. Buna
akımı;
(2.101)
şeklindedir [40].
Üç fazlı tam dalga doğrultucu:
Şekil 2.42’de, üç faz tam dalga kontrollü doğrultucu devresi gösterilmiştir.
Şekil 2.42: Üç faz tam dalga kontrollü doğrultucu [40].
Bu doğrultucu kullanılması durumunda, endüviye uygulanan gerilimin ortalama
değeri;
47
(2.102)
olarak ifade edilir. Kaynak hat geriliminin etkin değeri
’nin kullanılmasıyla endüvi
gerilimi;
(2.103)
şeklinde ifade edilir.
Alan (uyartım) sargısına üç fazlı tam dalga doğrultucu uygulanırsa:
Bu durumda alan sargısı ortalama gerilimi ve akımı;
(2.104)
(2.105)
şeklinde ifade edilir. Bu denklemlerdeki
değeri, hat geriliminin tepe değeridir. Üç
faz tam dalga doğrultucudaki temel (anma) alan akımı;
(2.106)
değerindedir [40].
B. KIYICILAR (CHOPPERS):
Sabit gerilimli bir doğru akım kaynağından ayarlanabilir ortalama değeri olan bir
doğru akım elde etme tekniğine DC-DC kıyıcı (chopper) denir. Şekil 2.43’de
görüldüğü gibi, bir kıyıcının görevi, sabit doğru akım kaynağını S anahtarı
vasıtasıyla, bir
periyodu ve bu periyodun tekrarı döngüsü içerisinde, devreye
bağlamak ve devreden çıkarmaktır. S anahtarı yerine tristör veya transistör kullanılır.
Yarıiletken DC-DC kıyıcılarda tristör veya transistörlerin iletim zaman aralığı (
değiştirilerek
motor
endüvisine
veya
uyartım
devresine
uygulanan
)
gerilim
ayarlanabilir.
Bu devrede, yük olarak omik yük kullanılmıştır. Şekil 2.44’de kıyıcının giriş ve çıkış
dalga şekilleri verilmiştir. Kaynak gerilimi ( ), bir S anahtarı ile her bir
(
) süresince omik yüke bağlanır. Giriş gerilimi (
sabittir ve
periyodunda
genliğindedir.
süresince anahtar kapalı olduğundan çıkış gerilimi kaynak gerilimine eşittir yani
’dir. Buradan çıkış akımı da
anahtar açık olup çıkış gerilimi
süresi içerisinde
olur.
’a eşittir. Çıkış geriliminin sıfıra eşit
olmasından dolayı çıkış akımı da sıfıra eşit olur yani
48
olur.
Şekil 2.43: Temel bir kıyıcı devresi [40].
Bir periyotluk süre için gerilim ve akımın değerleri;
(2.107)
(2.108)
şeklinde yazılabilir.
Şekil 2.44: Kıyıcının giriş-çıkış akım ve gerilim dalga şekilleri [40].
Şekil 2.44.c’de gösterilen giriş akımı ile 2.44.d’de gösterilen çıkış akımları aynıdır.
Yani;
49
(2.109)
Anahtarlama
süresi
yinelenecektir.
değişmediği
çıkış geriliminin
müddetçe,
dalga
şekilleri
periyoduyla
periyodundaki ortalama değeri;
(2.110)
şeklinde olur. Çıkış akımının ortalama değeri ise;
(2.111)
şeklindedir [40].
C. BDC MOTOR KONTROL STRATEJİSİ:
Yabancı uyartımlı BDC motor bu konuda örnek alınmıştır. Bu motor, çift uyartımlı bir
DC makinadır. Yani, hem endüvi devresi, hem de uyartım devresi kontrol edilebilir.
Kontrol işlemi, ya şekil 2.45.a’daki gibi kontrollü doğrultucunun kullanıldığı AC-DC
sürücüyle, ya da şekil 2.45.b’deki gibi, kıyıcının kullanıldığı DC-DC sürücüyle
yapılabilir.
Şekil 2.45: Yabancı uyartımlı DC motorlar için ayarlanabilir hız sürücüleri [40].
Doğru akım motorlarını kontrol etmek için pratikte uygulanan strateji şudur: Hız
aralığı iki bölgeye ayrılır. Bu durum şekil 2.46’da gösterilmiştir.
50
Şekil 2.46: Yabancı uyartımlı bir DC motorda hız kontrol bölgeleri [40].
Bu amaçla, motor anma hızı
ile iki bölge birbirinden ayrılır;
I. Bölge (sabit moment bölgesi): Bu bölgede, alan uyartımı yani alan akısı anma
değerine sabitlenirken, hız ayarı endüvi güç devresi tetikleme açısının (AC-DC
sürücüde) kontrol edilmesiyle gerçekleştirilir. Bu bölge, sabit moment veya endüvi
gerilim kontrol bölgesi olarak isimlendirilir. Bu bölge içerisinde, sıfır ile anma (temel)
hız aralığında, çıkış momentinin sabit tutulması istenir. Anma motor hızı, anma
endüvi gerilimi ve anma alan akısı tarafından belirlenen hızdır. Sabit momenti elde
etmek için, endüvi akımı da sabit tutulmalıdır. 2.3, 2.6 ve 2.8 denklemlerinden;
,
ve
idi. Bu denklemlerden çıkış momenti;
51
(2.112)
şeklinde ifade edilir. 2.112 denkleminden
çekilerek endüvi gerilimi ve gücü;
(2.113)
(2.114)
şeklindedir. 2.114 nolu denklemden çıkış gücü, hız ile orantılı olarak artar. Endüvi
akımı ise sabittir. Çıkış momenti, anma değerinde olup sabittir. Çünkü endüvi akımı
ve alan akısı sabittir. Başka türlü ifade edilirse, bu bölgede gücün açısal hıza oranı
anlamındadır.
sabittir. Yani,
II. Bölge (sabit güç bölgesi): Bu bölge, anma hızının üstündeki hız bölgesi olup bu
bölgede alan zayıflatma işlemi uygulanır ve alan kontrol veya sabit güç bölgesi
olarak isimlendirilir. Hız, anma hızının iki katına kadar yükseltilebilir. Bu bölgede,
artık endüvi gerilimi kontrolü yapılamaz. Çünkü, endüvi uçlarına anma gerilimi
uygulanmış olup gerilim daha fazla yükseltilemez. Bu nedenle, endüvi gerilimi anma
değerinde sabit tutulup alan akısının kontrolü yapılır. Alan sargısına uygulanan
gerilimin azaltılmasıyla, alan sargısından geçen akım azaltılıp alan zayıflatılır. Bunun
sonucunda, hız artıp moment azalır ve çıkış gücü sabit tutulur. Çıkış gücünün sabit
tutulması için, hız ile alan akısının çarpımının sabit tutulması gerekir. Yani,
anlamındadır. Bu bölgedeki durumu özetlersek; hız arttırılırken alan
zayıflatılır; zıt emk ve endüvi akımı anma değerlerinde sabit tutulur [40].
2.9 BLDC Motorların Tanımı ve Özellikleri
BLDC motorun sabit mıknatısa sahip bir rotoru vardır ve rotorda elektronik bir
komütasyon
gerçekleşir.
Bu
komütasyonun
gerçekleşebilmesi
için
rotor
pozisyonunun tespit edilmesi gerekir. BLDC motor bir nevi senkron motordur [11].
Bir DC makinada, endüvideki bir bobinde, akımın yön değiştirmesi işlemine
komütasyon denir [15]. Sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım motorlarında oluşan
statordaki hava aralığı akısı trapezoidaldir ve bu nedenle oluşacak mıknatıs
magnetik gerilimi (MMK) ise sabit bir hızla dönmeyecektir. Oysa SMSM’da oluşan
hava aralığı akısı sinüzoidaldir. Bahsedilen bu konular, sürekli mıknatıslı BLDC
motorlar ile SMSM arasındaki başlıca farkları oluşturur [41].
BLDC motorların çalışması, BDC motorların çalışmasının karakteristik olarak
aynısıdır. BLDC motorlarda, sabit mıknatıslı bir rotor yapısı olup fırça ve kollektör
düzenekleri olmadığından uyartımda bunların vazifesi yoktur [42]. BLDC motorlarda
52
kullanılan mıknatısların yüksek enerjili formasyonlarının üretimiyle, bu motorlar daha
da kullanılır hale gelmiştir [43]. BLDC motorların stator ve rotoru bir AC makinası
gibi olup; bununla birlikte, yarı iletken malzemelerden teşekkül eden bir inverteri ve
rotor pozisyon sensörlerinin de katılımıyla oluşan ayrı bir yapısı vardır [15].
BLDC motorlarda işletme hızı, motor boyutları ve motorun hız/yük kapasitesine göre
hız aralığı değişir. 42 V’luk DC gerilimden daha az bir kaynak gerilimine sahiptir.
Bununla birlikte, bu değerin daha alt ve üst değerlerinde de çalışabilir. En çok 24 V
gerilim kullanılır. BLDC motorlar, yüksek bir maksimum momente ve verime, uzun
ömüre ve hassas bir şekilde hız kontrol edilebilirliğine sahip olduklarından tercih
edilmektedir [44]. Sessiz çalışmaya ve yüksek hız erişimi özelliğine sahiptirler.
Alternatif akım ile beslenmediklerinden, alternatif akım kaynağındaki voltaj
değişikliklerinden etkilenmezler. İcabında portatif bir DC kaynak ile düşük gerilim
değerlerinde çalışabilirler. BLDC motorların kontrolü programlanabildiğinden, hız ve
devir yönü değişimi, görev çevrilmesi ve frenlenme gerektiği ev aletlerinde
kullanılırlar. Patlama riski olan yerlerde veya başka bir deyişle tehlikeli ortamlarda,
BLDC motorun çalışması esnasında, şerare oluşmaması ve düşük bir DC gerilimle
çalışması nedeniyle en çok tercih edilen motorlardan biri olmuştur [15].
BLDC motorlarda, komütasyon için fırçalara ihtiyaç yoktur. Bu işlem elektronik
olarak gerçekleşir. BLDC motorlar, BDC motorlara nazaran daha verimlidir veya
başka bir deyişle her iki motora da aynı elektriki güç uygulandığında, BLDC
motordan BDC motora göre daha fazla mekanik güç alınır. BLDC motorlarda statora
yerleşik sargılar, soğutulmayı daha kolay kılar. Böylelikle motora daha fazla yük
bindirilebilir. Fırçaların olmayışı nedeniyle, fırçalarda kayıp söz konusu değildir.
Kıvılcım olayı da gerçekleşmez. Silindirik olarak yapılan rotor geometrisi sayesinde,
bu motorlarda titreşim sorunları daha az olur. İvmelenme süresinin kısalması için
rotor çapı düşürülmelidir. Bunun için de, daha güçlü mıknatıslar kullanılmalıdır.
BLDC motorlar, pek çok cihazlarda örneğin, bilgisayarların soğutma fanlarında ve
CD/DVD oynatıcılarda tercih edilmektedir [45].
Lineer hız-moment ilişkisini sağlama, fırça ve kollektörünün olmaması ve bunun
sonucu bakımın azalması ile tehlike arz eden ortamlarda kullanılabilme imkânı,
çalışmasının sessiz olması, yüksek moment-hacim oranını yani küçük hacimle
yüksek moment üretimini sağlama ve bu sayede daha az bakır kullanımı, elektriksel
gürültüden uzaklaşma, daha çok tork ve daha uzun ömrü sağlayabilme
yeteneklerine sahiptir. Bu kadar istifadelerine rağmen, bazı nahoş tarafları da vardır;
harici bir güç elektroniği ve arzu edilen çalışma için rotor konum bilgisi gerekliliği,
Alan (Hall) etkili pozisyon sensörlerine olan ihtiyacı gibi sıralanabilir. Pozisyon
53
sensörü kullanılmadığı durumlara algılayıcısız çalışma durumu denir. BLDC’nin
algılayıcısız olarak çalışması için birtakım ek algoritmaların kullanılması gereklidir.
Bu yöntem de, diğerine göre daha pahalı bir yöntemdir [46].
BLDC motorlar, 50000 devir/dakika’yı aşan geniş bir hız aralığına sahiptir. Motorun
boyutları ve taşıdığı yükü çalışma hızını etkiler. Ekseriyetle 24 V besleme gerilimi ile
çalışır. Şebekedeki frekans dalgalanması ve frekans kayıpları ile bir ilgisi olmaz.
Çünkü DC gerilim ile çalışır. 2,5 cm ile 14 cm civarında boyutları vardır. Açık veya
kapalı şekilde yapılabilir. Yapısında mekanik bir kontağın mevcut olmaması
nedeniyle verimi çok yüksek olup %70 ilâ %90’lar seviyesindedir. Gereken izolasyon
şartları sağlandığında su altında da çalıştırılabilir [46].
2.10 BLDC Motorların Kullanım Alanları
BLDC motorların kontrolü ve yapısında kullanılan malzemelerin, teknolojinin
gelişimiyle birlikte yenilenmesi ve gelişmesinin neticesinde fırçalı DC motorlara
oranla oldukça rağbet görmektedir. Bu
gelişmelerin akabinde, BLDC motorların
kullanımı sağlık, robot, uzay endüstrisinde, ısıtma, soğutma ve havalandırma
sistemlerinde,
yürüyen
bant
sistemlerinde,
pompa
ve
fan
motorlarının
uygulamalarında, parlama ve yanma riski bulunan ortamlarda, sabit disk sürücü ile
CD/DVD-ROM, yazıcı gibi bilgisayar donanımlarında ve bilhassa yüksek güç
yoğunluğu ve hızın gerekliliğinin icap ettiği uygulamalarda kullanımı günden güne
artmaktadır [41].
Son yıllarda ülkemizde, bulaşık makinası üretiminde bazı firmalar BLDC motoru
içeren bulaşık makinaları imal etmektedirler. Bu şekildeki üretimle, şebeke
gerilimindeki azalış ve artışlardan etkilenme özelliği ortadan kalkmaktadır. Otomobil
ve helikopterlerde BLDC motorların birim enerji yoğunlukları daha iyi olduğu için
daha çok kullanılmaktadır [15].
2.11 BLDC Motor ve Sürücü Sistemi Yapısı
BLDC motorların yapısı ve sürülmesi beş birimden oluşmaktadır. Bunlar; sabit
mıknatıslı bir rotor, üç fazlı ve sargıları elektronik olarak enerjilendirilen stator, geri
besleme üniteleri (pozisyon algılayıcı sensörler ile akım ve hız geri besleme
bilgileri), evirici ve sürücü birimi, denetleyici (yazılımsal ve donanımsal yapılar)’dir
[8].
Bu yapıya ait bir örnek Şekil 2.47’de görülmektedir.
54
Şekil 2.47: PIC16F876 ile gerçekleştirilen fırçasız dc motor sürücü sistemi [47].
Şekil 2.47’de, denetleyici olarak PIC16F876 entegresi kullanılmış, Alan (Hall) etkili
pozisyon sensörleri ile rotor pozisyonu denetleyiciye bildirilerek motorun istenilen
parametrelere uygun çalışması sağlanmaktadır. Şekilde motor ile ifade edilen, üç
faz sargılı stator ve rotorun birleşimidir. Evirici ve sürücü birimi olarak 3 faz PWM
inverter kullanılmıştır [47].
2.11.1 Stator
BLDC motor statoru, bir AC motoruna benzer. Stator, BLDC motorun duran kısmıdır.
Bir nüve ve içindeki oyuklara yerleştirilen üç fazlı sargılardan oluşur [29]. Şekil
2.48’de bir stator örneği görülmektedir.
Şekil 2.48: Fırçasız DC motor statoru ve alan sargıları [29].
Stator asenkron motorun statoruna benzemesine karşın, statorun içerisine sargıların
dağılımı asenkron motordan biraz farklıdır. BLDC motor sargıları tıpkı asenkron
motorlarda olduğu gibi, yıldız veyahut üçgen bağlanır. BLDC motorlarda, rotorun
55
kutup sayısı, faz sayısı ve stator sargı şekline bağlı olarak stator oluk sayısı
belirlenir [48]. Statorun silisli saçlardan yapılmasının nedeni, demir kayıplarını
azaltmak içindir [15].
Statorun çift kutup sayısının üç katı kadar, stator sargılarının sarıldığı çıkık vardır.
Örneğin, 2p=2 kutuplu bir statorda bir adet çift kutup olduğundan çıkık sayısı üç
adettir. Şekil 2.49’de, bu anlatımın örneği görülmektedir.
Şekil 2.49: Farklı kutuplu stator yapıları [7].
Motorun gücü arttıkça, statorun boyutları da artar. Güç artışı, motordan geçen akımı
arttırır, bu da kablo kesitlerinin arttırılması zaruretini doğurur. Kablo kesitlerinin artışı
da doğal olarak stator boyutlarının büyümesine neden olur [7].
2.11.2 Rotor
Rotor, BLDC motorun dönen kısmını teşkil eder ve kalıcı mıknatıstan oluşur. BLDC
motorlarda kullanılan daimi mıknatıslı rotorlar, çoğunlukla bir veyahut birden fazla
mıknatıstan oluşmaktadır. Daimi mıknatıstan oluşan rotorda, kollektör ve fırça
düzenekleri bulunmaz. Bunun neticesinde de, ark oluşmaz, bakım ihtiyacı doğmaz
ve sürtünmeden dolayı oluşan kayıpların azalmasına neden olur. Rotorun imâlinde,
daimi mıknatıs elde etmek amacıyla ekseriyetle ferrit maddesinden yapılan
mıknatıslar tercih edilir. Ucuz oluşu nedeniyle tercih edilen ferrit mıknatıslar (diğer
alaşımlı mıknatıslara göre), mevcut akı yoğunluğunun düşük olması ve daha az
manyetik yoğunluk sağlaması dezavantajına sahiptir [29].
Rotorun manyetik alanını uzun ömürlü bir şekilde oluşturan, rotora yerleştirilen sabit
mıknatıslardır. Rotorda kullanılacak manyetik malzemenin belirlenmesinde, birim
hacime düşen moment miktarına, motorun işletme sıcaklığı aralığına ve
yerleştirilecek
mıknatısın fonksiyonelliği göz önünde bulundurularak
56
sertliği
değerlerine dikkat edilir [49]. Bir diğer nokta, rotorda kullanılan mıknatıs malzemeleri
pahalıdır ve zaman geçtikçe özelliklerini yitirirler [7].
Rotorda sabit mıknatıs olarak ekseriyetle, ferrit veyahut seramik, alnico (AlüminyumNikel-Kobalt) ya da samaryum-kobalt (SmCo) maddesinden oluşan mıknatıslar
kullanılmaktadır [15]. Bu maddelere ilâveten günümüzde rotorda, neodmiyum-ferritboron (NdFeB) ve neodmiyum (Nd) ile samaryum-kobalt alaşımı ile yapılan sabit
mıknatısların üretimi de yapılmaktadır [46].
Alnico (Alüminyum-Nikel-Kobalt) mıknatısların, akı yoğunlukları yüksek olup buna
karşın zorlayıcı kuvvetleri düşük değerdedir. Bundan dolayı da, sahip oldukları
mıknatısiyeti kısa zamanda kaybedebilme sıkıntısı vardır ve bu nedenledir ki
günümüzde pek fazla kullanımı yoktur [42].
Ferrit ya da seramik mıknatısların, hem zorlayıcı kuvvetleri, hem de akı yoğunlukları
yüksek değerdedir. Sahip oldukları mıknatısiyeti kaybedebilme sıkıntısı da söz
konusu değildir. Ferritin doğada çok bulunması ve ucuz oluşu sebebiyle günümüzde
kullanımı yaygındır [15].
Samaryum-kobalt (SmCo) mıknatısların, sahip olduğu manyetik yoğunluğu yüksek
olup aynı zamanda da düzgün bir B-H karakterine sahiptir. Bu üstünlükleri
dolayısıyla rağbet gören bir malzemedir. Fakat bu alaşımı oluşturan malzemelerin
doğada az bulunuşu ve bu yüzden de pahalı olması nedeniyle, konuyla ilgilenenler
farklı bir arayış içerisine girmişlerdir [7].
Neodmiyum-ferrit-boron mıknatısları, neodmiyum, demir ve bor maddelerinin
alaşımından oluşmuştur. Samaryum-kobalt malzemesine nispetle ucuz olması ve
düzgün bir B-H karakterine sahip olması gibi üstünlükleri vardır [7].
2.11.3 Geri besleme üniteleri
Stator sargıları rotor pozisyonuna göre enerjilendirilmelidir. Algılayıcılar kullanılarak
rotor pozisyonu belirlenir. Buna ek olarak, sürücü fonksiyonları için gereken akım ve
gerilim değerleri ölçülmeli ve ölçüm değerlerine göre kullanılmalıdır. BLDC
motorlarda hız ve konumun kontrol edilebilmesi için, rotorun konumunu algılayacak
algılayıcılara ihtiyaç vardır. Bu algılama işlemi için geleneksel olarak Alan (Hall) etkili
ya da optik sensörler kullanılır. Bunlar statora ya da motorun miline yerleştirilir. Bu
sensörlü sürüm tekniklerinin haricinde, BLDC motorun sensör kullanılmadan
sürüldüğü teknikler de günümüzde artan bir şekilde kullanılmaktadır [8]. Lâkin
sensörsüz sürme teknikleri, ek olarak muhtelif algoritmaların kullanılması zaruretini
57
ortaya çıkarır. Bir de sensörsüz kullanılan motorlar, sensörlü kullanılan motorlara
nispetle daha az hız ve ivme değerlerine erişebilirler [46].
Sıradan bir kaynaktan ulaşan uyarı ya da işaretleri alıp, aldığı bu işaretlere uygun
olarak sinyal üretebilen elemanlara sensör denir. Bunlar, motor kontrolü (denetimi)
için kontrol edilen (denetlenen) mekanik veya elektriksel büyüklükten geri besleme
alarak denetleyiciye gönderen optik veya elektromanyetik elemanlardır. Denetleme
devrelerinde sensörlerden gelen geri besleme bilgileri işlenecek büyüklüğe
dönüştürülür [44].
Rotor konumu algılayan algılayıcılar çok çeşitlidir. Bunların içerisinde en çok
kulanılanı alan etkili sensörler (Hall Effect Sensors)’dir. Bu sensörlerin haricinde,
optik sensörler (encoder) ve sıfır geçiş dedektörleri (zero crossing dedectors) de
kullanılır. Motor kontrolünde rotor pozisyonun algılanması için, hangi algılama
elemanın seçileceğine karar vermek amacıyla, bazı kriterlerin değerlendirilmesi
gerekir. Bu kriterler; çevre koşulları, rotorda açısal olarak yer değiştirmenin büyüklük
derecesi, algılayıcı için ayrılan mesafe, kontrolden beklenen hassaslık ve doğruluk
derecesi, algılayıcı elemanın çekmesi beklenilen en fazla güç ve algılayıcı elemanın
seri biçimde üretilebilme durumu olarak sayılabilir [50].
A. Alan Etkili Sensör (Hall Effect Sensor) Kullanımı:
Alan etkili sensörler, manyetik alanın algılanmasında kullanılır. Dr. Edwin Hall
tarafından ilk defa olarak 1879 yılında alan etkisinin varlığı keşfedildi. Dr. Hall,
altından yapılmış ve içinden geçen ince bir altın plakanın bir yüzeyine, dik bir
manyetik alanı olacak şekilde bir mıknatıs yerleştirdiğinde, plakanın diğer tarafında
potansiyel bir fark oluştuğunu keşfetti. Oluşan bu potansiyel fark (Hall Gerilimi), bir
iletkenden geçebilecek akım ve o iletkende oluşabilecek manyetik akı ile orantılı
olmaktadır. Bu olay da, alan (Hall) etkisinin varlığını göstermektedir. Üzerinden
akımın geçtiği bir ince plakanın çıkışındaki uçlar, mevcut manyetik alana dik bir
biçimde bağlanmış durumdadır. Manyetik bir alanın mevcut olmadığı durumlarda bir
gerilim (Hall Gerilimi, VH) oluşmaz [51]. Geçen akım ve mevcut manyetik alanın
şiddet ve yönü, oluşacak gerilimin şiddet ve yönünü tayin eder. Akım, kontrolün
büyüklüğü olarak anılır ve çıkışta oluşacak gerilimle doğru orantılıdır [15]. Şekil
2.50’de Alan etkili bir sensörün yapısı görülmektedir.
Motorların kontrolünde, hava aralığını ölçmek amacıyla bu sensörler ilk kez 1960
senelerinde kullanılmaya başlanmıştır. BLDC motor rotorunun döndürülebilmesi için
statorun sargılarına bir sıra dahilinde güç uygulanmalıdır. Stator içerisine gömülen
alan sensörleri sayesinde rotorun pozisyonu algılanır [15].
58
Şekil 2.50: Alan etkili sensörün yapısı [7].
Statora yerleştirilen alan sensörlerinin yerleri kutup sayısına göre farklılık gösterir.
Şekil 2.51’de iki ve dört kutuplu motorlarda alan sensörlerinin nerelere yerleştirildiği
örneklenmiştir (H1, H2 ve H3 olarak adlandırılan harfler, Alan (Hall) etkili sensörleri
ifade etmektedir).
Şekil 2.51: İki ve dört kutuplu motorlarda alan etkili sensörlerin durumu [7].
Alan etkili sensörlere, rotorun mıknatısından manyetik akı sağlanır. Ender olarak,
motorun miline bağlı olan yardımcı bir mıknatıs tarafından manyetik akı sağlanır. 30
mV gibi küçük bir değere sahip olan Hall Gerilimi bir yükselteç yardımıyla yükseltilir
[51]. Şekil 2.52’de böyle bir yapı örneği görülmektedir.
59
Şekil 2.52: Alan etkili sensör şeması [52].
Alan etkili sensörler, schmitt tetikleyici, yükselteç ve gerilim düzenleyicinin de ilâve
olup bir araya gelmesiyle tek bir yapı şeklinde (üstte görüldüğü gibi) günümüzde
kullanılmaktadır [51].
Statorun içerisine alan etkili sensörlerin yerleştirilmesi riskli ve karmaşık bir işlemdir.
Çünkü statora yerleştirilen mıknatıslardan dolayı yanlış bir sinyal üretilirse, rotorun
pozisyonu da yanlış olarak tespit edilebilir. Şekil 2.53’de motor içerisine yerleştirilen
alan etkili sensörler görülmektedir [53].
Şekil 2.53: Motor içindeki alan etkili sensörlerin konumu [52].
Alan etkili sensörlerin seri üretime olan uygunsuzluğu, motor içerisine gömülmesi
zarureti, sıcaklığa olan hassasiyeti ve sınırlı bir çözünürlüğe sahip olması olumsuz
taraflarıdır. Bununla beraber yapısının basitliği ve ucuzluğu dolayısıyla günümüzde
yaygın bir kullanıma sahiptir [53].
Şekil 2.54’de Alan etkili sensörlerin motorlara yerleşim şekilleri gösterilmiştir.
60
Şekil 2.54: Alan etkili sensörlerin yerleşim şekilleri [52].
Şekil 2.54’de de görüldüğü gibi, alan etkili sensörler, 60° ya da 120° aralıklarla
motorların statorlarına yerleştirilir [52].
B. Optik Sensör (Encoder) Kullanımı:
Optik sensörler kullanılarak rotorun konumu, hassas olacak şekilde açısal olarak
belirlenir [7]. Optik sensörlerin çalışma prensibi; biri sabit, diğeri de hareketli olan iki
diskin, bir ışık kaynağından gönderilen ışığı geçirip geçirmediği ve doğrusal veya
açısal olarak yer değiştirmenin algılanması esasına dayanır. Gönderilen ışın bir
demet halinde, %50 geçirgenliği olan bir durgun diskten geçip, diğer diske yani
hareketli olana erişir. Hareketli diskten geçmiş olan ışık demeti, ışığa duyarlı bir
yüzeye sahip optik sensörün yüzeyine odaklanır ve bu sayede elektriksel bir işarete
dönüşmüş olur. Hareketli diskte mevcut olan aralıkların darlık derecesinin artışı,
hareketin algılanma hassasiyetini de arttırır [15].
İki çeşit encoder tipi vardır. Biri artırımsal ya da artımlı (incremental) algılayıcı, diğeri
ise mutlak algılayıcıdır. Artımlı algılayıcıların sayısal çıkışı bir bitliktir. Bu
algılayıcının çıkışları, kullanılacak bir elektronik devre ile sayılacak, bu da motorun
hızı ve konumu hakkında bilgi verecektir [15]. Şekil 2.55’de Artımlı bir encoder
gösterilmiştir.
61
Şekil 2.55: Artımlı (artırımsal) encoder [52].
Belirgin bir noktaya göre motorun hız ve konumunu belirleyen algılayıcılara mutlak
algılayıcılar denir [15]. Mutlak algılayıcıda, mil konumu ile alâkalı bir tek dijital sinyal
üretilmektedir. Mildeki her bir konum bir dijital desene sahiptir. İkilik bir sayı
düzeninde olan bu dijital desen içerisindeki bitler, çözünürlüğü oluşturur. Dijital
desen, disk üzerinde mevcut olan her bir dairesel iz veyahut sıradır. Bu desen,
28=256 değişik konum disk üzerinde belirtebilir. Örneğin, 10 ize sahip bir dijital
desen 210=1024 konum belirtir [52]. Şekil 2.56’da mutlak encoder gösterilmiştir.
Şekil 2.56: Mutlak encoder [51].
Optik sensörlerde, açısal hız büyüklüğü, dijital değerdeki çıkış bilgisinden iki değişik
biçimde elde edilir.
Birincisi, çıkış darbelerinin sayılması yöntemi kullanılarak: Dijital denetleyicide
örnekleme periyodunun esas alınmasıyla,
örnekleme süreci içerisindeki, dijital
denetleyicide algılayıcı darbesi sayılıp belirlenir. Örnekleme periyodu
, açısal hız
, örnekleme periyodu içerisinde belirlenen darbe sayısı , diskteki ızgara sayısı
olarak tespit edildiğinde milin sahip olduğu açısal hız;
(2.115)
62
şeklindedir. Bu metot, düşük hız durumunda bilhassa tespit edilen bir hız değerinin
altında kati netice vermemesi, dikkat edilmesi gereken bir husustur. [54].
İkincisi, darbe zamanlandırma yöntemini kullanarak: Bir kodlayıcının süresi (bitişik
vaziyetteki iki ızgara arasındaki süre), yüksek frekansa sahip saat sinyallerinin
kullanılmasıyla ölçülerek belirlenir. Düşük hızlarda doğru bir biçimde ölçme
yapabilmek için bu yöntem uygundur. Burada, frekans
kodlayıcı süresi içerisinde sayılacak saat sinyalleri
, ızgara sayısı
, bir
olarak tespit edildiğinde milin
açısal hız değeri;
(2.116)
şeklindedir. Bu denklem içerisindeki, diskin bir devri müddetince geçen ortalama
süre “
” olarak ifade edilir [55].
Kısa mesafeler için encoder’dan alınılan bilgiler, paralel bir biçimde denetleme
birimine, her bir bit değerine karşılık bir kablo olacak şekilde gönderilir. Düşük
çözünürlük ve kısa mesafe durumları için paralel olarak yapılan veri aktarımı en
uygun yöntemdir. Ancak, çözünürlüğü yüksek olan ve bir adetten daha fazla
encoder’ın kullanıldığı robot sistemlerinde maliyet artışına sebep olmaktadır.
Özellikle SCADA sistemi uygulamaları için uzak noktalardan veri toplanacaksa seri
aktarımı tercih etmek mecburi olacaktır. RS485 ile RS422 ve tipiyle bağlantılı olarak
kullanılıyor olan “eş zamanlı bir seri arabirim” de veri değerlerinin iletimi maksimum
altı kablo ile yapılır [52].
Artımlı algılayıcılar, mutlak algılayıcılara oranla daha fazla kullanılmaktadır. Çünkü
basittir, ucuzdur ve kullanışlı bir yapıya sahiptir [15].
Hassas uygulamalarda encoder kullanımı tercih edilir. Bunun dışında, pahalı olması
ve kompleks bir yapıya sahip olmasından dolayı mantıklı bir seçim değildir [7].
C. Sıfır Geçiş Dedektörü Kullanımı:
Statorun sargılarında endüklenen zıt-emk’ne göre, sıfır geçiş dedektörü kullanılarak
rotor pozisyonunun belirlenmesi mümkündür. Bu sensör, motor sürücüsüne bağlı
olup rotor konumunun tespit edilebilmesi için, stator faz sargılarına uygulanan
gerilim ile besleme geriliminin yarı değeri karşılaştırılır. Kendisinin hareketli
parçalarının bulunmaması ve motor hareketli parçaları ile bağlantılı olmaması
avantaj sağlar. Sıfır geçiş dedektörünün yapısı ve bağlantısı Şekil 2.57’de
görülmektedir [7].
63
Şekil 2.57: Sıfır geçiş dedektörünün yapısı ve bağlantısı [7].
120° genişliğe sahip akımlar statorun faz sargılarına uygulandığı zaman, üç fazlı
BLDC motorda, bir fazdan pozitif, diğer fazdan ise negatif akım akmasına neden
olacaktır. İnaktif durumda olan da üçüncü faz olacaktır. İnaktif durumda olan faz,
sıfırdan geçiş metodunda zıt-emk’ni ölçmek için kullanılır. İki komütasyon noktasının
tam ortası, zıt- emk’nin sıfırdan geçtiği nokta olup bu nokta sıfır geçiş noktası (zero
crossing point) olarak adlandırılır. Sıfır geçiş noktası, bir sonraki sargı çiftinin
enerjilendirilmesi için referans teşkil eder. Sıfır geçişi olduğunda, bir önceki sıfır
geçişine yarı periyotluk bir süre eklenmesiyle, bir sonraki komütasyon anı için
kestirimde bulunulabilir. BLDC motorun yüksek hızlı uygulamalarında, bir fazın pasif
kalma süresi çok kısa olacağından sıfır geçiş noktasının tayini de bir hayli
güçleşecektir. Bu yüzden, bu tip uygulamalar için bu yöntem uygun değildir [41].
Sıfır geçiş yönteminin haricinde, algılayıcısız çalışmada, Kalman Filtre Teorisi olarak
anılan daha güçlü bir yöntem de kullanılmaktadır. Kalman Matematiksel modelinde,
motorun hız, konum ve zıt-emk değerleri kullanılır. Bu model ile ilerleyen zaman
adımlarında, motor durumunun değişimi için kestirimde bulunulur. Pasif kalan fazın
zıt-emk ölçülür ve kestirimde bulunulan fazın zıt-emk ile mukayese edilir. İkisinin
arasında ortaya çıkan fark, motor çalışma performansını iyileştirmede kullanılır.
Kalman Tekniği ile, sıfır geçiş tahmininin yanı sıra, motor hız ve konum tahmini her
bir zaman adımı için yapılır. Böylece, komütasyonun doğruluk derecesi arttırılarak
daha yüksek bir verim elde edilmesi mümkün olur [41].
2.11.4 Evirici ve sürücü katmanı (güç dönüştürücüsü)
Bu birimde, motor kontrolünün sağlanmasında kullanılacak gerilim elde edilir.
AC/DC çevirici (şebeke bağlantılı sistemlerde), frenleme kıyıcısı, filtre ve yarı iletken
anahtarların (transistör, mosfet v.b) bir araya gelmesinden oluşan bir evirici
64
sistemidir. Denetleyici, yarı iletken anahtarları, belirlemiş olduğu anlarda iletim veya
kesime sokar. Yarı iletkenlerden oluşan ara birime, anahtar sürücü bloğu denir [8].
Bu katman, stator sargılarından geçen akımın yönünün değişimini, rotor pozisyon
bilgisini kullanarak sağlar ve böylelikle rotor dönüşü gerçekleşir. Denetleyici,
pozisyon sensörlerinden edindiği bilgiye bağlı olarak eviricideki altı adet yarı iletken
anahtara açma ve kapama işareti gönderir [7]. Şekil 2.58’de mosfetlerin kullanıldığı
anahtar sürücü bloğu görülmektedir.
Şekil 2.58: Mosfet’lerle yapılmış sürücü devresi [7].
Rotor konumu göz önünde tutularak, yarı iletken anahtarlar bir sıra dahilinde
tetiklenir. İşlemci sürücünün tetiklenmesini sağlayarak konum sensörlerinden aldığı
bilgiye dayanarak bir faza pozitif, bir diğer faza negatif ve üçüncü faza ise gerilim
uygulamaz. Bu gerilim uygulaması, sistematik bir şekilde sırayla her faza ayrı ayrı
tatbik edilir. Bu şekilde işlemci, bu sürücü yapısıyla motorda bir dönme momenti
meydana getirir. Sürücü, motorun performansını belirleyen en önemli elemandır.
İşlemci ve anahtarlar da sürücü performansının mertebesini belirler. Anahtarlar, bir
sürücünün en önemli elemanlarıdır. Anahtar için eleman seçiminde, anahtarlamanın
hızı ve kayıpları göz önünde tutulur. Mosfet, en yaygın kullanılan elemandır. Fakat,
diğer yarı iletken malzemeler de kullanılabilir (Örneğin, transistör, tristör, IGBT vb.
gibi) [7].
A. Mosfet:
Geyti, kanal maddesinden Silisyumdioksit maddesi (SiO2) ile yalıtılmış alan etkili
transistörlere (fet “field effect transistors), mosfet transistörler denir. MOS kelimesi,
metal oksit semikondüktör kelimelerinin baş harflerinden meydana gelmiştir. İki
65
özellikte yapılırlar. Bunlar; azaltan kanallı mosfet (deplasyon tipi), çoğaltan kanallı
mosfet (enhensment tipi) [56].
Yüksek hıza sahip anahtarlama elemanlarıdır. Mosfetlerin sembolü ve iç yapısı şekil
2.59’da görülmektedir.
Şekil 2.59: Mosfet’lerin iç yapısı ve sembolü [7].
Elektrik alanı etkisi, iletime geçmesine sebep olur. Gerekçesi, kapı (gate) ucunun
yalıtılmasıdır. Mosfetler kapı akımı çekmezler, bu nedenle sürücülerinin hızları
yüksek, yapıları basittir. Mosfetin kanal (drain) ve kaynak (source) uçlarına ters
polaritede bir diyot yerleştirilir. Bu diyot anahtarlama esnasında meydana gelecek
yüksek gerilimleri önleme amacıyla yerleştirilmiştir [7]. Diyotun yerleştirildiği yapı
Şekil 2.60’da görülmektedir.
Şekil 2.60: Güç mosfetinin sembolü [7].
Mosfetlerin karakteristik eğrisi Şekil 2.61’de görülmektedir.
66
Şekil 2.61: Mosfetlerin karakteristik eğrisi [7].
Mosfetlerin kaynak ucunun şasesi ile kapı uçları arasında bir direnç bağlanmış
olması gerekir. Bu yapılmadığında, kapı ucuna bir gerilimin uygulanmadığı durumda
da mosfetin iletim durumu sürecektir [7].
B. Transistörler:
Transistör sözcüğü, transfer-rezistör sözcüklerinden türetilmiştir. Transistör, emetör
ve kolektör olarak isimlendirilen iki uç arasındaki direncin, baz (beyz) denilen
ortadaki uca uygulanan akım değeriyle azaltılıp, yükseltilmesi demektir. Yapım
şekillerine göre dört gruba ayrılırlar. Bunlar; nokta temaslı transistörler, yüzey
temaslı transistörler, alaşım yöntemi ile yapılan transistörler ve alaşımlı yayılma
yöntemi ile yapılan transistörlerdir. Yüzey temaslı transistörler, PNP ve NPN olmak
üzere iki türdedir [56].
Transistörler keşfedilen en eski yarı iletken anahtar tipidir. İletime geçmesi baz akımı
ile olur, iletime geçmesi kolektör ile emiterin arasının kapanması yani kapalı bir
anahtar konumunda olması demektir. Transistorün kesim durumuna geçmesi için
bazından geçen akımın kesilmesi gerekir. Kesime geçince kolektör ile emiter arası
tekrar açılır [7]. Transistörlere ait semboller ve transistörlerin iç yapısı şekil 2.62’de
görülmektedir.
Şekil 2.62: PNP ve NPN tipi transistörlerin sembolü ve iç yapısı [7].
67
Transistörler, iki P tipi yarı iletken tabaka arasına yerleştirilen bir N tipi tabakadan
oluşur ki, bu yapı NPN yapısıdır. Bir de, iki N tipi yarı iletken tabaka arasına
yerleştirilen bir P tipi tabakadan oluşur ki, bu yapı da PNP yapısı olarak anılır [7].
Transistörlerin karakteristik eğrisi Şekil 2.63’de gösterilmektedir.
Şekil 2.63: Transistörlerin karakteristik eğrisi [7].
En eski anahtar olmalarına karşın, günümüzde halen yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bunun nedeni, yüksek akıma ve güce dayanabilme özelliğidir [7].
C. Tristörler:
İlk tristör 1957’de üretilmiştir. Tristörler, tek yönde akım geçirdiklerinden redresör
gibi kullanılabilirler. Büyük akımların küçük akımlarla kontrolünü sağlarlar. Bu
nedenle tristörlere Silikon Kontrollü Redresör (S.C.R.) de denir [56].
Tristör 4 farklı dozdaki silisyum kristalinin yan yana gelmesinden oluşmuştur.
Tabakalar anottan katota doğru, pnpn sırasını izler [57]. Bu yapı Şekil 2.64’de
görülmektedir.
Şekil 2.64: Tristörün sembolü, yapısı ve tristör eşdeğer devresi [7].
A-K yönü tristörün geçirme, K-A yönü ise kapama yönüdür. Kapı (Gate “G”)’dan K’ya
doğru bir kumanda akımı geçirilerek tristör iletken hale getirilir. Çeşitli tetikleme
68
devreleri ile ve bu devrelerde kullanılan elemanların değerlerinin değişimiyle
tetikleme açıları değiştirilerek gerilim ve akım ayarı sağlanır [57].
D. IGBT:
İngilizce, Kapı İzoleli Bipolar Transistör (Insulate Gate Bipolar Transistor)
kelimelerinin kısaltılmış biçimidir. Bipolar transistörler ve mosfetlerle karakteristikleri
aynıdır. Transistörlerde, anahtarlama hızı ve iletim kayıpları düşüktür. Mosfetlerde
ise, iletim kayıpları fazla, anahtarlama hızı yüksektir. Bu iki yarı iletken anahtarın
dezavantajlarını minimize etmek için geliştirilen IGBT’lerde, anahtarlama hızı
neredeyse
mosfetlere
yakın
olup
ve
aynı
zamanda
da
bir
transistör
karakteristiklerine sahiptir. IGBT de diğer yarı iletken anahtarlar gibi, kapı ucuna
tatbik edilen tetikleme (ateşleme) gerilimi ile iletim durumuna geçerler [7]. IGBT’nin
sembolü ve karakteristik eğrisi Şekil 2.65’de verilmiştir.
Şekil 2.65: IGBT’nin sembolü ve karakteristik eğrisi [7].
IGBT, mosfetlere nazaran daha yavaş, fakat transistörlere göre daha hızlı
anahtarlama özelliğine sahiptir [7]. Mosfetlerle oluşturulan bir sürücü devresi Şekil
2.66’da verilmiştir.
Şekil 2.66: BLDC motorunun sürücü devre ile bağlantısı [7].
69
Büyük güçlü olmayan BLDC motorlarının sürücü sistemleri için mosfetler en iyi
seçimdir [7].
E. PWM:
Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse Width Modulation “PWM”) ile anahtarlama
işlemleri yüksek bir hızda yapılır ve elektrik enerjisinin kullanımında verimlilik
sağlanır [58]. Çıkıştaki gerilimin ortalama değeri, devreye bağlanmış olan basit bir
şekildeki anahtarla değiştirilir. Bu yapı Şekil 2.67’de gösterilmiştir.


Şekil 2.67: PWM yönteminin basit anahtar yapısı [7].
Doğru akımda, ortalama gerilim değeri; alternatif akımda etkin gerilim değeri, baz
alınır. PWM metodunda, çıkış geriliminin ortalama gerilim değeri, anahtarların açık
ve/veya kapalı kalma sürelerinin değiştirilmesiyle elde edilir. PWM’de oran-görev
periyodu ( ) değeri, aşağıdaki denklemle tanımlanmıştır;
(2.117)
şeklindedir. PWM’de taşıyıcı ve kontrol işaretinin değişim eğrileri, Şekil 2.68’de
gösterilmiştir.
Şekil 2.68: Taşıyıcı sinyal ve kontrol sinyalinin değişimi [7].
70
Bu yöntemle, gerilim kontrolü oldukça geniş bir aralıkta gerçekleştirilebilir. Birtakım
elektronik devre elemanlarının kullanımıyla değiştirilen anahtarlama süresi ve yarı
iletken malzemelerle yapılan anahtarlama işin özünü teşkil eder. İki gerilimin
karşılaştırılmasıyla PWM dalga biçimleri meydana getirilir. Bunlar, kontrol sinyali
(
), diğeri de taşıyıcı sinyal (
)’dir. Kontrol sinyali kontrol işlemini, taşıyıcı sinyal
ise darbe üretimini sağlar. Taşıyıcı sinyal üçgen veya testere dişli dalga
biçimindedir. Görev periyodu, taşıyıcı sinyal frekans ve genliği sabit tutulup kontrol
sinyal geriliminin değiştirilmesiyle ayarlanır. Yarı iletken anahtarların kapalı ve açık
olması esnasındaki süreyi tayin etmek bir hayli güçtür. Bu nedenle, görev
periyodunun hesaplanmasında, kontrol sinyalinin değiştirilebilir ve ölçülebilir
olmasından dolayı, maksimum taşıyıcı sinyale oranı ile hesaplanır [7].
(2.118)
şeklindedir. Karşılaştırma işleminden sonra, meydana gelen darbeler Şekil 2.69’da
görülmektedir. Taşıyıcı sinyalin maksimum ve minimum değerleri arasında kontrol
sinyalinin büyüklüğü değiştirilir;
(2.119)
Şekil 2.69: Taşıyıcı sinyal ile kontrol sinyalinin karşılaştırılması sonucu oluşan darbe sayısı
[7].
PWM yönteminde gerilim kontrolü, öteki gerilim kontrol ve ayar yöntemlerine göre
hızlı bir şekilde sağlanır. Bu kontrol esnasında kayıplar minimum düzeyde olur.
Böylece kontrol, verimli ve hızlı bir şekilde gerçekleşir. Şebekenin üzerinde
harmonikler oluşturması dezavantaj teşkil eder. Oluşan harmonikler sebebiyle,
71
şebeke gerilimi üzerinde yüksek frekanslı dalgalanmalara rastlanır ve bununla
bağlantılı olarak yüksek frekansa sahip gürültü, çıkış akım ve geriliminde görülür
[7].
2.11.5 Denetleyici (kontrolör)
Referans girişi ile pozisyon algılayıcısından aldığı bilgiyi kullanıp ürettiği kontrol
sinyalleriyle motorun istenilen çalışma şartlarını gerçekleştiren bir birimdir. PWM
sinyallerinin durumu, denetleyicinin ürettiği kontrol sinyalleriyle belirlenmiş olan
kontrol algoritmasına göre kontrol edilir. Denetleyici ile temel olarak hız, akım
ve/veya pozisyon döngüsünün kontrolü yapılır. Denetleyici, hem donanım ve hem de
yazılım yapılarından oluşur [8].
2.12 Fırçasız DC Motor Çeşitleri
BLDC motorlar, rotor yapısına göre üç çeşittir. Birinci tip dış rotorlu, ikinci tip disk
tipi, üçüncü tip ise iç rotorlu motorlardır [15]. Bu sınıflandırmanın dışında BLDC
motorlar, sensörlü veya sensörsüz olarak da kategorize edilebilir [59].
2.12.1 Dış rotorlu fırçasız dc motorlar
Rotor yuvarlağı stator sargısının dışında olup mıknatıslar bu yuvarlağın içerisine
yerleştirilir. Şekil 2.70’de de görüldüğü gibi, iç kısımda bulunan statorda endüvi
sargıları, dış kısımda ise daimi mıknatısların bulunduğu rotor dönmektedir. Fırçalı bir
DC motorla, stator ve rotorun yapısı örtüşmektedir. Bu tipte, mıknatıslar rotora
gömülü bir vaziyette yerleştirilir.
Şekil 2.70: Dış rotorlu BLDC motor yapısı [50].
72
Bu da savrulma durumuna karşı rotorun oldukça dayanıklı olmasını sağlar. Seri
üretim durumunda, dış yüzeyde bulunan stator sargıları sarım işleminin daha kolay
yapılabilmesini sağlar. Rotorun dışta olup yüksek bir kütleye sahip olması,
mıknatısların rotora yerleştirilmesi esnasında bir denge sorunu oluşturabilir.
Üretimdeki maliyeti düşüren iki unsur vardır. Bunlar; birincisi bu tip motorlarda, diğer
çeşitlerin aksine tek rulman ve yatak kullanımı söz konusudur. Diğer nokta, rotorun
dışta olması mıknatıs alanını büyütmekte ve bu nedenle aynı manyetik alan etkisi
daha ucuz mıknatıslarla elde edilebilmektedir. Yüksek eylemsizliğe sahip olmaları
nedeniyle, mevcut hız değerlerini, yüklerinin ani değişimi durumlarında muhafaza
ederler. Bu özellikleri nedeniyle çamaşır makinası ve fan uygulamalarında oldukça
tercih edilmektedir [50].
Bu tip motorlarda bobin sargılarının merkezde olması motorun soğutulma işlemini
güçleştirmektedir. Dış rotorlu BLDC motorlar, outrunner veya outline BLDC motorlar
adıyla da anılmaktadır. Helikopter, uçak v.b. gibi uçan araçlarda, bu tip motorların
torklarının daha yüksek, hızlarının ise daha düşük değerde olmaları nedeniyle tercih
edilmektedir [59].
2.12.2 Disk tipi fırçasız dc motorlar
Çelikten yapılan ve iki yüzeyinden birine mıknatıs yerleştirilen bir disk rotoruna
sahiptir. Rotor mıknatıslarına karşılık olarak statorda da uyarma sargıları mevcuttur.
Baskı devre şeklinde imal edilen sargılar da vardır [50]. Şekil 2.71’de disk tipi bir
BLDC motor yapısı görülmektedir.
Şekil 2.71: Disk tipi BLDC motoru [50].
73
Düşük hız uygulamalarında, kapalı çevrim kontrolü ve hız geri beslemesine sahip bir
sistem kullanılarak çok yumuşak bir performans elde edilebilir. Kullanıldığı hız
değerleri 1000 rpm üzerine çıkarsa, yapısındaki rotor ve stator disk çeliklerinde
ısınma sorunu baş göstermektedir. Bunun önüne geçmek için yüksek hızlara
çıkıldığında ek tedbirler alınması gerekir. Pek tabii olarak bu da, maliyeti
arttıracaktır. Bu sonuçtan yola çıkılarak, disk rotorlu BLDC motorları düşük hız ve
güç uygulamaları için tercih etmek doğru bir yaklaşım olacaktır. Eğer, düşük hız
fakat buna mukabil yüksek güç aranıyorsa, tercih edilen motor, yüksek kutup
sayısına haiz iç rotorlu BLDC motor olmalıdır [50].
2.12.3 İç rotorlu fırçasız dc motorlar
İç rotorlu BLDC motorlar, yapı olarak asenkron ve senkron motorlara çok
benzemektedir. Dıştaki statorda, tıpkı asenkron motorlarda olduğu gibi endüvi
sargıları bulunmaktadır [29]. Şekil 2.72’de İç rotorlu, yüzey mıknatıslı ve gömülü
mıknatıslı bir BLDC motorun yapısı verilmiştir.
Şekil 2.72: İç rotorlu BLDC motorların yapısı [50].
Bu tip motorlar, dış rotorlu BLDC motor ile mukayese edildiğinde iki dezavantaja
sahiptir.
Birincisi,
yüksek
hızlara
çıkıldığında
rotordaki
mıknatısların
stabilizasyonunu muhafaza edebilmek için rotordaki montajlarına dikkat etmek
gerekir. Montajın sağlamlığının sağlanabilmesi için, yüksek elektriksel direnci olan
metal şeritler ile rotorlar sarılırlar. İkincisi, statorun sarımı, seri üretim olarak
düşünüldüğünde işçiliği daha zor ve maliyetlidir. Bu dezavantajlarına rağmen, dış
rotorlu BLDC motorlara göre sargının dışarıda olması bu tip motorların daha kolay
soğumasını mümkün kılar. Bilhassa yüksek performansa haiz hız ve konum
kontrolünün gerektiği kompresör ve servo motor uygulamaları için tercih
edilmektedir. Geniş bir uygulama alanına sahiptir [29].
74
İç rotorlu BLDC motorlar, inrunner veya inline BLDC motorlar olarak da anılmaktadır.
Hızları, dış rotorlu BLDC motorlara nazaran daha yüksektir. Bununla beraber, dış
rotorlu yapıya göre, volt başına tork üretimi daha düşüktür. Dış görüntü olarak, fırçalı
DC motorlara benzemektedir. İçte yer alan rotora sahip olması nedeniyle, kullanım
kolaylığına sahiptir [59].
BLDC motorlar, mıknatısların rotor yapısına monte edilme şekline göre de
sınıflandırılırlar. Şekil 2.73’de bu şekilde sınıflandırılmış rotor çeşitleri görülmektedir.
Şekil 2.73: BLDC motorların rotor çeşitleri [29].
A. Yüzey mıknatıslı, fırçasız DC motorlar:
Rotor dış yüzeyine daimi mıknatısların yerleştirildiği yapıdır. Bu yapı, stator
kutuplarına daha yakın bir mıknatıs grubunun olduğu yapı olup, yüksüz durumda
daha küçük bir momente sahiptir. Rotorlardaki dış yüzeye tutturulan daimi
mıknatıslar, motorun yüksek hızlara çıkmasında parçalanabilme riski vardır. Rotor
pozisyonu ile etkin hava boşluğu değiştiğinden dolayı bir miktar endüktans değişimi
söz konusudur [15].
B. Gömülü mıknatıslı, fırçasız DC motorlar:
Rotorun iç tarafına, dikdörtgen bir kesite sahip her bir daimi mıknatısın yerleştirildiği
bir yapıdır. Kullanımı pek yaygın değildir. Yapısı gereği, motorun yüksek hızlara
çıktığı uygulamalar için uygundur. Rotor pozisyonuna bağlı olan endüktans değişimi
önem arz etmeyecek derecede küçük bir değerde olan bir yapı biçimidir [15].
C. Kanal mıknatıslı, fırçasız DC motorlar:
En iyi bir rotor tipi olup dikdörtgen kesitlere sahip daimi mıknatısların, rotorun
yüzeyine açılmış olan kanallara yerleştirildiği yapı türüdür [15].
75
2.13 Fırçasız DC Motorların Olumlu ve Olumsuz Yönleri
BLDC motorların olumlu yönleri şunlardır:
●Makine uzunluğu, BLDC motorların kollektör ve fırçalara sahip olmamaları
nedeniyle DC ve asenkron makinalara nazaran daha kısadır. Böylece aynı değere
sahip moment, daha da küçük endüvi yüzeyi ile elde edilmiş olur. Aynı kazançla,
daha yüksek hızlara çıkılarak, yüksek hızlı uygulamalarda kullanılabilme imkânı
oluşur ve de atalet (eylemsizlik) momenti de azaltılmış olur [14].
●BLDC motorların hız kontrol olanakları çok iyidir. Asenkron motorlara nazaran,
kontrol edilebilen hız aralıkları daha geniştir [14].
●Küçük bir boyuta karşın yüksek bir moment üretebilirler. DC ve asenkron motorlara
nispetle BLDC motorların, akım/döndürme momenti, ağırlık/güç olarak daha yüksek
oranlara sahiptir [14].
●Fırçalı DC motorların ihtiyaç gösterdiği uyarma akımlarına, BLDC motorlar ihtiyaç
göstermezler [14].
●Sağladıkları çalışma ortamı güvenilirdir [14].
●Kolay bir şekilde soğutulurlar [14].
●Sessiz bir çalışma ortamı sağlarlar [14].
●Çok yüksek bir verime sahiptirler. Aynı soğutma ve boyut ile BLDC motorların,
asenkron ve DC motorlara nazaran sahip oldukları güç faktörü ve verim daha iyidir.
%20 ilâ %50 arasında değişen değerlerde, diğer motorlara nispetle daha fazla çıkış
gücüne sahiptir [14].
●Fırçalı DC motorlardaki fırça sistemine sahip olmadığından dolayı, fırçalar
nedeniyle oluşan karbon tozlarını içermezler [14].
●Yüksek moment-hacim oranını yani küçük hacimle yüksek moment üretimini sağlar
ve bu sayede daha az bakır kullanımı imkânı verirler. DC motorlardaki kollektör ve
fırça düzenekleri olmayışı nedeniyle tehlikeli ortamlarda çalışabilme ve bakım
gereksinimini azaltma imkânı sağlarlar [46].
●Öteki motorlara nazaran kontrolünün çok kolay olmasının nedeni, motor akımı ile
doğrudan orantılı olan bir çıkış momentine sahip olmasıdır [50].
Bütün bu olumlu özelliklere rağmen bazı olumsuz özelliklere de sahiptir:
●Harici bir güç elektroniği ve arzu edilen çalışma için rotor konum bilgisi gerekliliği,
Alan (Hall) etkili pozisyon sensörlerine olan ihtiyacı söz konusudur. Pozisyon
76
sensörü kullanılmadığı durumlara algılayıcısız çalışma durumu denir. BLDC’nin
algılayıcısız olarak çalışması için birtakım ek algoritmaların kullanılması gereklidir.
Bu yöntem de, diğerine göre daha pahalı bir yöntemdir [46].
●Atmosferik ve termik etkiler, daimi mıknatısların uzun süre kullanılmaları
neticesinde mıknatısiyet özelliklerinin bozulmasına neden olur [50].
●Daimi mıknatıslı motorların yüksek hızlara ulaşamamasının nedeni, bu motorlar
sabit bir uyarma sağlarlar ve mıknatısları arasındaki montaj mekanik gerilim
sınırlandırmasına sebep olur [50].
●İnverter hataları, BLDC motorların sürücülerinde oluşabilir. Rotordaki mevcut daimi
mıknatıslardan dolayı, inverterde bir kısa devre meydana gelirse, BLDC motorlarda
mühim derecede risk teşkil eder. Bunun nedeni, dönmekte olan rotorun her daim
enerji vermesi ve sürekli olarak kısa devre olan sargılarda bir emk’ine sebep
olmasıdır. Böyle bir durum, bu sargılarda çok büyük değerde bir akımın dolaşımına
ve bu neticede de oluşan büyük bir momentle motorun durdurulmasına neden olur
[50].
●Günümüzde, kontrol tekniklerinin ve teknolojinin düzeyinin ilerlemesi ile BLDC
motorlarının kullanımı hem artmış, hem de süregelen dezavantajları da elimine
edilmeye doğru yol almıştır [15].
2.14 Fırçasız DC Motorların Çalışma Prensibi
BLDC motor, elektronik komütasyonun gerçekleşebilmesi için rotor pozisyonunun
belirlenmesi icap eden, sabit mıknatıslı bir rotora sahip olan, bir nevi senkron
motordur. Bir evirici üzerinden beslenen stator sargıları vardır. Evirici bir akım
kaynağından beslenir. Rotorun konumu ile senkronize bir şekilde, eviricideki güç
anahtarları sırayla anahtarlama yapar. Rotora yerleştirilmiş bir konum algılayıcı ile
veya konum algılayıcı kullanılmaksızın yani algılayıcısız bir kontrol algoritmasıyla,
hangi güç anahtarının açma veya kapama yapması gerektiği belirlenir [15]. Şekil
2.74’de, rotor pozisyonu geri beslemesine sahip bir BLDC motor sürücü sisteminin
klasik kontrol devre şeması gösterilmiştir.
77
Şekil 2.74: Pozisyon geri beslemeli bir fırçasız doğru akım motor sürücü sisteminin devre
şeması [42].
Rotor konumunun bilgisi göz önünde tutularak, stator sargılarındaki akım yönü
değiştirilir. Bu işlem, Şekil 2.75’deki anahtarlar kullanılarak yapılır.
Şekil 2.75: Sürücü anahtarların bağlanması [7].
Statordaki sargılara uygulanan gerilim ve akımın yönü ile rotordaki dönme hareketi,
anahtarların kontrol edilmesiyle sağlanır. Bu şekilde, statordaki sargılarda manyetik
alan kutupları oluşturulmuş olur. Statorda ve rotorda oluşan manyetik alan kutupları,
zıt işaretli kutupların birbirini çekmesi ve aynı işaretli kutupların birbirini itmesi
prensibine göre oluşan etkileşim sonucunda bir dönme momenti meydana gelir.
Oluşan bu dönme momentinin büyüklüğü, stator ve rotorda oluşan manyetik
alanların şiddetlerine bağlı olarak değişir. Meydana gelen rotor döngüsü sonucunda,
78
rotor konumu değişir. Değişen yeni konum sensörler tarafından algılanarak
işlemciye gönderilir. Bu durum çizelge 2.2’de gösterilmiştir.
Çizelge 2.2: Sensör bilgisine, rotor konumuna tekabül eden anahtar durumları [7].
Alan Etkili (Hall)
Sensörler
Anahtar Konumları
Konum
Konum açısı
(θ)
H1
H2
H3
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
1
0º≤θ<60º
1
0
0
1
0
0
1
0
0
2
60º≤θ<120º
1
1
0
1
0
0
0
1
0
3
120º≤θ<180º
0
1
0
0
0
1
0
0
1
4
180º≤θ<240º
0
1
1
0
1
1
0
0
0
5
240º≤θ<300º
0
0
1
0
1
0
0
0
1
6
300º≤θ<360º
1
0
1
0
0
0
1
1
0
Rotorda oluşan yeni konum işlemci tarafından değerlendirilerek, anahtarların yeni
konumları belirlenir. Bu sefer, rotor yeni durumuna göre bir çekme ve itme tesirinde
kalır. Hızlı bir şekilde bu anahtarlamaların sürüp gitmesiyle, rotordaki dönme
hareketinin devamlılığı sağlanmış olur [15].
2.14 Fırçasız DC Motorların Kontrolü
Kullanım kolaylıkları ve özellikleri açısından, klasik DC motorlar oldukça geniş bir
kullanım alanına sahiptir. Bununla birlikte, bazı ortam koşullarında, bu motorların
yapılarındaki fırça ve kollektör (komütatör) yapılarına bağlı olarak çalışmaları
birtakım riskler içermesinden dolayı kullanımında azalmalar meydana gelmiştir. Bu
yapı nedeniyle bakımların daha sık olması zarureti söz konusudur. Böyle yani fırçalı
bir DC motor bir CD veya disket sürücü olarak kullanılırsa, bu kullanım sabit devir
sayısı gerektiren bir uygulama olduğundan birtakım aksaklıklar olacaktır. Çünkü,
uzun süreli kullanımlarda devir sayısında bir azalma meydana gelecektir. BLDC
motor, işte bu gibi durumlar için düşünülmüştür. BLDC motorlarda, fırça ve
komütatör yapısının yerini yarı iletkenlerden oluşan bir yapı almıştır. Bu motorlar,
fırçalı motorlardan daha fazla hıza, torka sahiptir. Elektriksel gürültü içermeyen ve
daha sessiz bir çalışma söz konusudur. Bunların bakım aralıkları daha az ve daha
uzun ömürlüdür. BLDC motorların sahip oldukları tüm bu özellikler nedeniyle,
günümüzde kullanım alanları oldukça genişlemiştir. Bu olumlu özelliklerinin yanı
sıra, mevcut çalışma sistemi yapısı, tam bir kontrol gerektirmektedir [46]. BLDC
79
motorlarının en verimli bir şekilde kontrolü, bunların kontrolü için kullanılan tüm
yöntemlerin yegâne amacıdır [60].
BLDC motorların kontrolünde kullanılan kontrol sistemlerinde, çıkışın istenilen
değerlerde elde edilebilmesi için, sistemin girişine uygulanması gereken değerlerin
tespit edilmesi gerekir. Sistemde hedeflenen (referans) çıkış değeri ile mevcut
sistem çıkış değeri arasındaki fark, hata değeri olarak adlandırılır. Sisteme
uygulanacak giriş sinyali, işte bu hatayı en az değere indirebilecek bir değer olarak
üretilebilmelidir. Bu da aynı zamanda, sistem çıkışının değeri ile referans çıkışının
değerinin birbiriyle karşılaştırılması demektir. Bu amaçla, gerekli sistem çıkışının
bilinebilmesi için algılama elemanlarının kullanımı gerekir [61].
Fırçasız DC motorlarda kullanılan kontrol yöntemleri ile motorun akımı, torku
(dönme momenti), rotor konumu ve hızı gibi parametreleri kontrol edilir.
Günümüze değin birçok kontrol yöntemi kullanılagelmiştir. Doğru akım motorlarının
hassas olarak hız kontrollerinin yapılabilmesi için, bugüne değin yapay sinir ağları
[62], bulanık mantık [63], dalgacık tekniği [50], genetik algoritma [64] olarak adı
geçen pek çok yöntem sayılabilir. Ayrıca, adı sayılan bu yöntemlerle birlikte ya da
tek başına PID kontrolü de kullanılagelmiştir [65]. BLDC motorların kontrolü
günümüzde iki kategoriya ayrılmıştır.
2.14.1 Klasik kontrol yöntemleri
Klasik denetleyiciler kullanılarak yapılan BLDC motorlarının parametrik kontrolleri,
klasik kontrol yöntemleri olarak tanımlanmaktadır. Klasik denetleyiciler PI (oransalintegral kontrolü), PD (oransal-türev kontrolü) ve PID (oransal-integral ve türev
kontrolü) tipindeki denetleyicilerdir. Klasik denetleyiciler, diğer denetleyicilere
nazaran daha basit ve daha ucuz bir yapıya sahiptir. Sanayideki birçok alanda yeteri
derecede
verimin
elde
edilmesini
sağlamaktadır.
Bu
özellikleri
nedeniyle,
günümüzde endüstride yaygın bir kullanıma sahiptir. PI tipi denetleyicilerde, oransal
ve integral katsayılarını; PD tipi denetleyicilerde, oransal ve türev katsayılarını; PID
tipi denetleyicilerde oransal, integral ve türev katsayılarının ayarlanması suretiyle
istenilen çalışma performansları elde edilebilir. Ancak bu tip denetleyicilerin,
denetlenecek sistemin modeline gereksinim duymaları ve optimum kazanç
değerlerinin deneme-yanılma yöntemiyle belirlenmesi olumsuz yönlerini oluşturur
[66]. Klasik denetleyicilerin, ani olarak değişen ve sinüzoidal bir özelliğe sahip olan
yüklerdeki performansları düşük olmaktadır [67].
Endüstride, BLDC motorların kontrolünde, çok hassasiyet aranmıyorsa, klasik
denetleyici kullanmak doğru bir yaklaşımdır. Çünkü, bu denetleyicilerin maliyeti
80
düşük ve yapısı basittir. Endüstride çok hassasiyetin arandığı uygulamalarda ise
modern denetim tekniklerini kullanmak daha doğrudur. Çünkü, bu teknikler daha iyi
sonuçlar vermektedir. Günümüzde tercih edilen modern denetim teknikleri, bulanık
mantık, genetik algoritma, yapay sinir ağları ve sinirsel bulanık denetleyicilerin
kullanıldığı teknikler olarak örneklendirilebilir [68].
2.14.2 Modern kontrol yöntemleri
A. Bulanık Mantık:
Klasik denetleyicilerin yeterli hassasiyeti gösteremediği durumlar için tercih
edilebilecek en akıllı yaklaşımlardan biri, bulanık mantık denetim yöntemidir. Bulanık
mantık denetimi, matematiksel modelin oluşturulamadığı veya oluşturulması
esnasında zorluklar yaşanıldığı, insanların tecrübe ve sezgilerine gereksinim
duyulması hâllerinin yaşandığı durumlarda ve doğrusal olmayan sistemler için daha
olumlu neticeler vermektedir. Bulanık denetleyiciler dilsel ifadeleri kullanırlar. Bulanık
denetleyicilerde işlem üç ana basamaktan oluşur:
1. Bulanıklaştırma: Üyelik fonksiyonlarının elde edilmesi işlemidir. Burada, dışarıdan
gelen kesin bilgiler, üyelik fonksiyonları cinsinden ifade edilir, yani bulanıklaştırılır.
2. Kural tabanı: Uygun kuralların elde edildiği işlemdir. Bu kurallar, sistemin
hakkındaki bilgi ve tecrübelere istinaden oluşturulur.
3. Durulaştırma: Bulanık sonuç değerleri, durulama yöntemlerinden birini kullanarak
tekrar kesin değerler cinsinden ifade edilir ve sistemin ayarlanması yapılır [69]. Şekil
2.76’da bir bulanık denetleyicinin genel yapısı görülmektedir.
Şekil 2.76: Bulanık denetleyici genel yapısı [50].
81
B. Genetik Algoritma:
Genetik algoritma (Genetic algorithm), fonksiyonların optimizasyonunu, biyolojik
sürecin modellenmesi işlemi ile gerçekleştiren evrim algoritmalarıdır. Popülasyonun
her bir bireyi, kromozomlar şeklinde temsil edilir. Belirlenmiş kurallar içerisinde,
popülasyonun uygunluğunun minimizasyonu ve maksimizasyonu yapılır. Uzun süren
çalışmaların neticesinde, bu yöntem ilk kez John Holland (1975) tarafından
uygulanmaya başlanmıştır. Genetik algoritmanın üstünlükleri:
●Ayrık ve sürekli olan parametrelerin optimizasyonunu sağlar.
●Türevsel bilgilere ihtiyaç göstermez.
●Çalışma için çok sayıda parametre kullanmak mümkündür.
●Paralel bilgisayarların kullanılmasıyla çalıştırılabilmesi mümkündür.
●Küresel optimum değeri bulabilmesi mümkündür.
●Çok sayıda parametrenin en uygun çözümlerini elde edebilmesi mümkündür [70].
Sisteme ilişkin bir amaç fonksiyonu ve bu fonksiyona bağlı olan sınır şartları, genetik
algoritmada belirlenmesi gereken ilk işlemlerdir. Buna ilişkin matematiksel ifadenin
oluşturulmasından sonra, bu ifade ve sınır şartlarının algoritmaya uyarlanması işlemi
gerçekleştirilir. Amaç fonksiyonun belirlenmesinde parametre sayısının arttırılması
daha da gerçekçi bir optimizasyonun yapılmasını sağlar [70].
Biyolojideki genleri, genetik algoritma parametreleri temsil eder. Kromozom,
parametrelerin toplu olarak oluşturduğu kümedir. Her yeni nesil, rasgele olarak bilgi
değişimiyle ve diziler içerisinde hayatta kalanların birleştirilmesiyle oluşturulur [71].
Genetik algoritmalar çalışması esnasında Şekil 2.77’deki işlem sırasını takip ederler.
Bir genetik algoritmada üç ana operatör vardır. Bunlar; seçme, çaprazlama ve
mutasyondur. İlk nüfus genelde rasgele oluşturulur. Bir nesildeki dizilerden, bir
bölümü bir sonraki nesle aktarılıp, bir bölümü de aktarılamayıp yok olur. Seçim
mekanizmaları, hangi dizilerin bir sonraki nesle aktarılacağında rol oynar.
Çaprazlama,
en
önemli
genetik
operatör
olup,
yapı
bloklarının
tekrar
birleştirilmesinden ve karıştırılmasından mesuldür. Çaprazlama, iki kromozomdan
belirli noktaların yer değiştirmesidir. Böylece, yeni çözümler oluşturmada kilit rol
oynar. Şöyle ki; bir çözümün bir bölümünü, diğer bir çözümle değiştirir. Yeni
tohumlar bu şekilde meydana gelir. Mutasyon, genetik değişim sağlayan bir
operatördür. Bir nesilden bir sonraki nesle kopyalama esnasında, rasgele
başkalaşımlar genlere aktarılır. Mutasyon, ender olarak da olsa iyi bireylerin yok
82
olmasına sebep olur ki; genetik algoritma içerisine elitizasyon yapısı yerleştirilmiştir.
Bu yapı, en iyi bireylerin bir sonraki nesle aktarılmasını sağlar [72].
Şekil 2.77: Genetik algoritmadaki işlem sırası [70].
C. Yapay Sinir Ağları:
Yapay sinir ağları (Artificial Neural Networks), matematiksel modeli tanımlanamayan
ya da çok zor tanımlanabilen sistemlerin çözümünde kullanılabildiği gibi; ayrıca
belirli olmayan, verileri eksik olan ve gürültülü sistemlerin çözümünde de
kullanılabilir [73]. Literatürde birçok yapay sinir ağı yapısı mevcut olup fakat en çok
kullanılanı çok katlı perseptron (ÇKP) modelidir [74]. Şekil 2.78’de çok katlı bir
perseptron yapısı görülmektedir.
Bir ÇKP, bir adet giriş ve çıkış katmanı ile bir veya birden fazla ara katmandan
ibarettir. Katlardaki elemanlar nöronlardır. Ara katta bulunan her bir nöronun çıkış
değeri, kendine bağlı olan girişler ve o girişlerin bağlantılı ağırlıkları ile çarpım
sonuçlarının toplamlarına eşittir. Çıkışın toplam bir fonksiyonu olarak, elde edilen bu
toplam hesaplanabilir [75].
83
Şekil 2.78: Birçok katlı perseptron modeli [75].
Burada oluşan fonksiyon bir eşik, sigmoid veya hiperbolik tanjant fonksiyonudur.
Diğer katlarda yer alan nöronların çıkış değerleri de aynı biçimde hesaplanır. Ağın
çıkışı ile istenen çıkış arasında ortaya çıkan fark hata olup; hata kabul edilebilir
seviyeye (minimum seviye önceden belirlenir) ininceye kadar ağın ağırlıkları
değiştirilir ve tekrar geriye doğru yayılır. Bu olay, kullanılan eğitme algoritmasına
göre yapılır. Yapay sinir ağlarında kullanılan çok sayıda eğitme algoritması
mevcuttur [75].
D. Sinirsel Bulanık Denetleyiciler:
Lineer olmayan fonksiyonlara belirlenen bir eğitim işlemlerinden sonra öğrenme ve
genelleme yetenekleri katması ile paralel bilgi işleyebilmesi yapay sinir ağlarının
üstünlükleri arasındadır. Alışılagelen lojik işlemlerin dışında ara değişkenlerin
kullanılması ile uzman bilgisini sistemlere katarak çıkarım (dedüktif çıkarım)
yapabilmesi gibi özellikler de bulanık mantığın üstünlükleri arasındadır. Bu iki
yöntemin üstünlüklerinin birleştirilmesi amaçlanarak sinirsel bulanık ağ ya da bulanık
sinirsel ağ yapıları meydana getirilmiştir. Bu iki ağ yapısı, literatürdeki birtakım
çalışmalarda aynı anlam verilmesine karşın, genel olarak farklılık taşımaktadır.
Şöyle ki; bulanık sinirsel ağ yapılarının fonksiyonları, yapay sinir ağları
fonksiyonlarının bulanık mantık fonksiyonları tarafından yürütülmesi prensibiyle
gerçekleşir. Sinirsel bulanık ağ yapılarının fonksiyonları ise, bulanık mantık
fonksiyonlarının yapay sinir ağları fonksiyonları tarafından yürütülmesi prensibiyle
gerçekleşir. Günümüzde ise, genel olarak, içerisinde sinirsel bulanık ağ yapılarını
barındıran sinirsel bulanık denetleyiciler kullanılmaktadır. Bulanık mantık ile yapay
84
sinir ağlarının kullanıldığı tüm sahalarda, bilhassa lineer olmayan sistemlerin
kontrolünde sinirsel bulanık denetleyiciler kullanılabilmektedir. Bu doğrultuda,
parametre değişimlerinin belirlenmesi, moment ve akının kestirimi, konum ve hız
kontrolünde sinirsel bulanık denetleyicilerin kullanımı mümkündür [76].
E. Dalgacık Tekniği:
Zaman domeni ile frekans domeninde durağan niteliğe sahip olmayan işaretlerin
analizlerini yapabilmek dalgacık teorisi ile mümkündür. Dalgacık teorisinin bu özelliği
nedeniyle görüntü işleme alanında pek yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. BLDC
motorlarındaki
kullanımında
ise,
dalgacık
konusunda
yararlanılan
Fourier
Dönüşümü’nün kullanılmasıyla parametrelerin frekans domenindeki dönüşümleri
gerçekleştirilir. Yine dalgacık konusundaki alçak, yüksek geçiren filtre işlemleri,
Daubechies Filtreleme işlemleri v.b. kullanılarak BLDC motorlarının komütasyon
anları tespit edilir. Başka bir deyişle, rotor pozisyonu belirlenir [50].
2.15 Fırçalı ve Fırçasız DC Motorların Karşılaştırılması
Aşağıda çizelge 2.3’de, BLDC ve BDC motorların karşılaştırılması yapılmıştır.
Çizelge 2.3: BLDC ve BDC motorların karşılaştırılması [77].
Özellik
BLDC Motor
BDC Motor
BLDC Motorun Avantajları
Komütasyon
Rotor pozisyon
bilgisine dayalı
elektronik
komütasyon
Mekaniki fırçalar
ve kollektör
Mekaniki organlar yerine
konumlandırılan elektronik anahtarlar
Verimlilik
Yüksek
Orta
Elektronik organlardaki gerilim düşümü
fırçalardan daha küçüktür
Bakım
Az/Hiç
Periyodik
Fırça ve kollektör bakımı yok
Isıl performans
Daha iyi
Zayıf
Sadece armatür sargıları ısı üretir.
Armatür sargıları BLDC motorda
statordadır ve burası motorun dışıdır.
Bu durum, armatür sargıları rotora
yerleştirilmiş BDC motorlara göre, ısının
daha iyi yayılmasını sağlar.
Çıkış gücünün
çerçeve
boyutuna oranı
Yüksek
Orta/Düşük
Modern kalıcı mıknatıslar nedeniyle
rotor kayıpları yok
85
Hız/Tork
karakteristikleri
Dinamik cevabı
Hız aralığı
Düz
Hızlı
Yüksek
Orta düzlükte
Faydalı torku azaltacak fırça sürtünmesi
yok
Yavaş
Kalıcı mıknatıslardan dolayı daha düşük
rotor ataleti (eylemsizliği)
Düşük
Fırçaların ya da kollektörün neden
olduğu mekaniki sınırlama yok
Elektriksel
gürültü
Düşük
Yüksek
Gürültü üretecek fırçalardan
kaynaklanan ark, elektromanyetik
girişimin sebep olduğu gürültü yok
Ömür
Uzun
Kısa
Fırçalar ve kollektör yok
86
3. YABANCI UYARTIMLI VE FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORLARININ
MATEMATİKSEL
MODELLERİ
İLE
MATLAB/SIMULİNK
ORTAMINDA
SİMÜLASYONU
3.1 Giriş
Bu bölümde birinci olarak; yabancı uyartımlı DC motorların ikaz kontrollü ve armatür
kontrollü olmak üzere ayrı ayrı matematiksel modelleri elde edilmiş, matematiksel
modellerine dayalı olarak matlab/simulink modelleri elde edilip simülasyonları
yapılmış ve sonuçları kaydedilmiş, kararlılık analizleri yapılmış, daha sonra elde
edilmiş modellere PI kontrolörler ekleyerek tekrar matlab/simulink modelleri elde
edilip simülasyonları yapılmış ve bunların da sonuçları kaydedilmiştir.
İkinci olarak; BLDC motorun matematiksel modeli elde edilmiş, PI kontrolörler
kullanılarak matlab/simulink modeli elde edilmiş, simülasyonu yapılmış ve sonuçları
kaydedilmiştir.
3.2 Yabancı Uyartımlı DC Motorun Matematiksel Modellemesi ve Simülasyonu
Yabancı uyartımlı DC motorda, lineer bir model oluşturulabilmesi için, fırçalarda
meydana gelen voltaj düşümleri, manyetik histerezis etkileri v.b. gibi lineer olmayan
etkilerin ihmal edilmesi gerekir. Şekil 3.1’de yabancı uyartımlı DC motorun eşdeğer
devresi gösterilmiştir.
Şekil 3.1: Yabancı uyartımlı DC motor eşdeğer devresi [78].
87
Bu motorlarda, alan (ikaz) sargılarından geçirilecek akım, rotor sargılarında bir
manyetik alan oluşturur. Oluşan bu manyetik alanı
manyetik akısı ifade eder. Bu
akı, alan akımı ( ) ile alan sargı bobininin özelliklerine göre değişen bir katsayının
(
) çarpımına eşittir. Yani;
(3.1)
şeklinde ifade edilir. Rotor, bu manyetik alan içerisinde bulunurken, sargılarından
akım geçirildiğinde, sargısında manyetik kuvvet çifti oluşmasına ve bunun
sonucunda da, dönme olayı yaratacak bir tork (
) etkisinin oluşumuna sebebiyet
verir [78].
Yabancı uyartımlı bir DC motorda kontrol; ya armatür akımı sabit tutulup ikaz
devresine uygulanan gerilimin değiştirilmesiyle (ikaz kontrolü), ya da ikaz akımı sabit
tutulup armatür devresine uygulanan gerilimin değiştirilmesiyle (armatür kontrolü)
gerçekleştirilir [78].
Bu çalışmada, yabancı uyartımlı DC motorun modelleme, simülasyon ve kontrolleri
iki ayrı biçimde incelenmiştir. Birinci olarak, motorun ikaz kontrollü olan modeli; ikinci
olarak da armatür kontrollü olan modeli ele alınmıştır.
3.2.1.1 Yabancı uyartımlı dc motorun ikaz kontrollü olarak matematiksel
modellemesi, simülasyonu ve sistemin kararlılığının kontrolü
Matematiksel modelinin elde edilmesi:
İkaz (alan) kontrolünde, armatür akımı sabit tutulup alan sargısına uygulanan
gerilimin değiştirilmesi suretiyle ikaz akımı değiştirilir. Yani bu durumda;
olacaktır [78].
ve
Motor torku
,
(3.2)
şeklindedir. Bu denklemde
yerine 4.1 nolu denklemde verilen eşiti yazılırsa;
(3.3)
elde edilir. Armatür akımı sabit olduğundan;
(3.4)
olarak elde edilir.
ifadesi, motor sabiti olarak tanımlanır. İkaz devresine ait
gerilim eşitlikleri yazılarak;
(3.5)
88
elde edilir [26].
Motor torku, motor milini döndürmeye çalışır. Sistemde başka amaç ile yük olarak
bağlanmış sistemler ya da frenleme varsa, motor milindeki tüm bu etkiler net
moment ( ) etkisini oluştururlar. Net moment ve şaftın döndürdüğü kütlelerin
ataletleri ile yatakların neden olduğu viskoz sönüm etkileri mildeki dönme
hareketinin karakteristiğinin belirlenmesini sağlar. Bu mekanik sistem şekil 3.2’de
gösterilmiştir.
Şekil 3.2: Yabancı uyartımlı DC motorda mekanik sistem [78].
Motor mekanik sistemini açıklayan ifade;
(3.6)
şeklindedir [78]. Burada;
rotorun eylemsizlik (atalet) momenti,
mekanik
sistemin sönüm oranı olarak tanımlanır [20].
3.5 denklemine Laplace dönüşümü yapılarak ifade edilirse;
(3.7)
elde edilir. 3.7 denkleminden
çekilirse;
(3.8)
denklemi elde edilir. 3.8 denkleminden elektriksel sistem;
(3.9)
şeklinde elde edilir.
Mekanik sistem ifadesi için, 3.6 denklemine Laplace dönüşümü yapılarak;
(3.10)
elde edilir. 3.10 denkleminden mekanik sistem;
(3.11)
şeklinde elde edilir. 3.4 nolu denklemin Laplace dönüşümü;
(3.12)
89
şeklindedir. Bulunan tüm ifadeler yani elektriksel ve mekanik sistemi ifade eden
denklemler birlikte değerlendirilerek -şekil 3.3’de de gösterilen- sistemin blok
diyagramı elde edilir.
Şekil 3.3: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun blok diyagramı [78].
Şekil 3.3’de gösterilen blok diyagrama göre motorun açısal hızı;
(3.13)
şeklindedir.
ve
ifadelerinin 3.9 ve 3.11 denklemlerinde verilen eşitleri
yerine konulduğunda;
(3.14)
eşitliği elde edilir. Dış (yük) torkun etkisi yani
ihmal edilirse, açısal hızın giriş
gerilimine bağlı değişimini veren transfer fonksiyonu;
(3.15)
şeklinde elde edilir [78].
Simülasyonu:
Simülasyon için seçilen yabancı uyartımlı DC motorun parametrik değerleri,
,
,
,
,
’dir [79].
Yük torku ihmal edilerek oluşturulan simulink model şekil 3.4’de gösterilmiştir.
Simulink modelinde,
olarak 10 V step giriş kullanılmıştır. Simülasyonda, model
konfigürasyon parametreleri için: diagnostics ayarları içerisindeki seçeneklerden,
“automatic solver parameter selection” seçeneği “none” olarak; solver ayarları
içerisindeki seçeneklerden, simülasyon stop zamanı 50.0, çözüm seçenekleri (solver
options) kısmında değişken adım (variable-step), solver olarak da “ode 45
(Dormand-Prince)” seçilmiş olup bu yöntem çoğu problemlerin çözümünde ilk tercih
edilen çözüm yaklaşımıdır. “Ode 45” birinci dereceden diferansiyel denklemleri
90
çözmek için kullanılan integrasyon algoritmasıdır [80]. Simülasyondan önce, şekil
3.4’de oluşturulan modelin, “File” menüsü içerisindeki “model properties” komutu
seçilerek, açılan pencerede “Callbacks” menüsü altında bulunan “Model initialization
function” kısmına modelde kullanılan sabit parametrelerin değerleri girilmiştir. Matlab
yazılımında zaman birimi saniye olup çıkan sonuçlardaki zaman değerleri saniye
cinsindendir. Simülasyon modelinde gösterilen
, motor çıkış açısı olup, motorun
lineer hızı [26] olarak da anılmaktadır.
Şekil 3.4: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simulink modeli.
Şekil 3.4’deki simulink modelinin yapılan simulasyonunda elde edilen sonuçlar, şekil
3.5.a.b.c.d.e’de gösterilmiştir. Sonuçlar için scope ayarlarında, otomatik ölçekleme
(auto scale) seçeneği seçilmiştir.
91
(a)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0;
Minimum yerleşme (settling min)=10;
Maksimum yerleşme (settling max)=10;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0;
Tepe noktası (peak)=10;
Tepe zamanı (peak time)=0.
92
(b)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0,2489;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0,4400;
Minimum yerleşme (settling min)=0,0398;
Maksimum yerleşme (settling max)=0,0429;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0,0218;
Tepe noktası (peak)=0,0429;
Tepe zamanı (peak time)=1,2355.
93
(c)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0,2489;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0,4400;
Minimum yerleşme (settling min)=0,0774;
Maksimum yerleşme (settling max)=0,0836;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0,0218;
Tepe noktası (peak)=0,0836;
Tepe zamanı (peak time)=1,2355.
94
(d)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=1,5456;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=2,7990;
Minimum yerleşme (settling min)=31,6534;
Maksimum yerleşme (settling max)=33,4299;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0,0143;
Tepe noktası (peak)=33,4299;
Tepe zamanı (peak time)=13,7569.
95
(e)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=39,3686;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=49,0158;
Minimum yerleşme (settling min)=1,4855e+03;
Maksimum yerleşme (settling max)=1,6448e+03;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0;
Tepe noktası (peak)=1,6448e+03;
Tepe zamanı (peak time)=50.
Şekil 3.5.a.b.c.d.e: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simülasyon sonucu
grafikleri.
Sistemin Kararlılığının Kontrolü:
3.15 denklemi ile ifade edilen transfer fonksiyonunda, örnek alınan yabancı uyartımlı
DC motorun parametrik değerleri yerleştirildikten sonra ortaya çıkan ifade, RouthHurwitz Kararlılık Analizi’ne göre test edilmiştir. Transfer fonksiyonuna parametrik
değerler yerleştirildiğinde;
elde edilir. Buradan;
96
şeklinde oluşur.
Bu karakteristik denkleme ait oluşturulan Routh-Hurwitz Tablosu çizelge 3.1’de
gösterilmiştir.
Çizelge 3.1: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun karakteristik denklemine ait RouthHurwitz Tablosu.
s2
0,04335
0,5825
0
s1
0,45985
0
0
s0
0,5825
0
0
Karakteristik denklemdeki bütün katsayıların sıfırdan farklı oluşu ve çizelge 3.1’den
görüleceği üzere birinci sol sütundaki sayıların tümünün pozitif işaretli olması
nedeniyle sistem kararlıdır.
3.2.1.2 Yabancı uyartımlı dc motorun ikaz kontrollü olarak çalıştırılmasında pi
kontrolör kullanarak hız ve tork kontrolünün gerçekleştirilmesi
PI Kontrolörü:
PI kontrolör, endüstriyel uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Basit
yapısı, kolay anlaşılabilirliği ve kolay kullanımı ile kesin bir kontrol sağlamaktadır.
Oransal (P=Proportional) ve integral (I=Integral) sabitlerinin ayarlanmasıyla, hız
kontrol işlemi, geniş sınırlar içerisinde, düşük maliyetle ve kısa zamanda
gerçekleştirilebilmektedir. Kontrol işlemi, bir oransal ve integral kontrolörü işleminin
birleşiminden oluşur. Bunu tanımlayan ifade;
(3.16)
şeklindedir. Bu denklemde;
kazanç sabiti,
aktive edilen sinyal,
hata sinyali,
oransal
integral kazanç sabiti olarak adlandırılır. 3.16 nolu denklemin
Laplace dönüşümü olarak ifadesi ise;
(3.17)
şeklindedir. Transfer fonksiyonu belirlenmiş bir sistemin PI kontrolörü (denetleyicisi)
ile yapılan kontrolünün blok diyagramı şekil 3.6’da verilmiştir.
97
Şekil 3.6: Bir sistemin PI kontrolü işleminin blok diyagramı [25].
,
referans giriş için geri beslemedir. Geri besleme, hız veya pozisyon
türünde olabilir.
,
ve
arasındaki farktır.
ve
değerlerinin
arttırılmasıyla, hata sinyali ortadan kaldırılabilir [25].
İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI Kontrolörü ile Denetimi:
Şekil 3.4’de oluşturulan ikaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simulink
modeline PI kontrolörü eklenebilir. Bu modelin tam bir kontrolünün sağlanması için
iki adet PI kontrolörü eklenmelidir. Birinci PI kontrolörü hız denetimi (kontrolü) için;
ikinci PI kontrolörü ise, akım denetimi için kullanılır. PI kontrolörler, elektrik zaman
sabitine oranla, mekanik zaman sabitini daha çok göz önünde bulundurur [26].
Motorlarda elektrik zaman sabiti;
(3.18)
şeklinde ifade edilir. Mekanik zaman sabiti ise;
(3.19)
şeklinde ifade edilir [81].
Motorlarda, elektrik zaman sabiti ile mekanik zaman sabiti karşılaştırıldığında,
mekanik zaman sabiti, elektrik zaman sabitine nispetle bir hayli büyüktür. Bundan
dolayı, motor endüvisi için akım kontrolü gereklidir. Bir de, motor hızı sıfırdan
başladığında, maksimum hata oluşacaktır ve bunun üzerine verilen maksimum voltaj
sonucu, başlangıç anında büyük bir akım akışı meydana gelecektir. Motorun ilk
kalkışı esnasında, motorda oluşan zıt emk sıfıra eşit olduğundan, motor akımı
maksimum limitlere uzanacak ve bu da motor sargılarına zarar verecektir. Motora
akım kontrolörünün uygulanmasıyla,
motora uygulanan voltaj, sadece hız
hatasına veya sadece akım hatasına bağımlı olmayacaktır. Her ikisi ile de, ilişkili
olacaktır. Yani hem hız hatasına, hem de akım hatasına bağımlı olacaktır.
98
Böylelikle, hız kontrol ve akım kontrol olmak üzere iki çeşit motor kontrol döngüsü
olacaktır [26].
Şekil 3.7’de motorun tam kontrolü için yapılan iç ve dış döngüler görülmektedir.
Burada motor torku,
akımı tarafından kontrol edilip iç akım kontrol döngüsü ile
regüle edilmektedir. Motor hızı ise, bir harici döngü tarafından kontrol edilir. Bu
döngünün çıkışı, akım kontrol döngüsü için referans akım girişini oluşturur.
kazancı ile ifade edilen akım sensörü,
akımının ölçümü için kullanılır.
kazancı ile ifade edilen hız sensörü ise, açısal hızın ölçümü için kullanılır [26].
Bir kıyıcı (chopper), yüksek hızda “açık” veya “kapalı” anahtarlama yapan bir yarı
iletken anahtardır. Kıyıcı, sabit DC giriş geriliminden, değişken DC çıkış gerilimi
üretir. Çalışma prensibi, darbe genişlik modülasyonu (Pulse Width Modulation
“PWM”) esasına dayanır. Çalışması esnasında, zaman gecikmesi yoktur. Bundan
dolayı kıyıcı, şekil 3.8’de
ile gösterilen sabit bir kazanç parametresi ile temsil
edilmiştir [26].
Şekil 3.7: Motor kontrolünde iç ve dış döngülerin blok diyagramı [26].
Hız denetimi için kullanılan PI kontrolörünün geri beslemesinde takometreler
kullanılır. Takometreler, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirirler. Bunlar, giriş
mili açısal hızının genliği ile orantılı bir gerilim üreten, bir nevi üreteç olarak çalışan
99
cihazlardır. Doğru akım takometreleri kontrol sistemlerinde, millerin hızlarını
belirlemek ve kaydetmek ya da hız kontrolü için hız geri beslemesi ile kararlılığı
arttırmak için kullanılır. Takometre çıkış gerilimi, istenen referans hıza tekabül eden
referans gerilimle karşılaştırılır. İkisi arasındaki fark yani hata gerilimi PI kontrolörüne
uygulanır. Takometrenin çıkış gerilimi
katsayısı
, motor açısal hızı
ve takometre
ile orantılıdır. Yani;
(3.20)
olarak ifade edilir [82].
Akım denetimi için kullanılan ikinci PI kontrolörü, motorun ilk kalkış esnasında
çekeceği akımın sargılara zarar vermemesini sağlar. Yani, pik değerlerini sınırlar.
Kullanılan hız ve akım kontrolörleri, kalıcı hal hatasını neredeyse ortadan kaldırır,
yani minimize eder. Geçici durum süresini uzatır, ancak maksimum aşım değerlerini
azaltır.
Simülasyonu:
Şekil 3.8 ile gösterilen ikaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI
kontrolörleriyle denetiminde yük torku ihmal edilmiştir. Motorun boşta çalışması
hedeflenmiştir. Step girişi olarak 10 V seçilmiştir.
olarak varsayılmıştır. Bu nedenle,
çıkışının volt olarak değeri, açısal
hız girişi ile sayısal olarak aynı değeri taşır.
ve
seçilmiştir. Simulink
devresi çizildikten sonra, şekil 3.4’ün simülasyonunda yapıldığı gibi aynı işlemler
tekrarlanmıştır. Model konfigürasyon parametreleri için: solver ayarları içerisindeki
seçeneklerden, simülasyon stop zamanı 10.0, çözüm seçenekleri (solver options)
kısmında değişken adım (variable-step); solver olarak “ode 45 (Dormand-Prince)”;
diagnostics ayarları içerisindeki seçeneklerden, “automatic solver parameter
selection” seçeneği “none” olarak seçilmiştir. Şekil 3.8’de oluşturulan modelin “File”
menüsü içerisindeki “model properties” komutu seçilerek, açılan pencerede
“Callbacks” menüsü altında bulunan “Model initialization function” kısmına modelde
kullanılan sabit parametrelerin değerleri [79] girilmiştir.
100
Şekil 3.8: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle yapılan denetiminin
simulink modeli.
Simülasyon esnasında, hız ve akım kontrolörlerinin, içerisindeki “Tune…” komutu
seçilerek, açılan pencerede “cevap zamanı (response time)” ve “geçici davranış
(transient behavior)” ayarları değiştirilir ve böylelikle hız-zaman ve tork-zaman
grafiklerinde iyileştirme yapılır. Bu grafiklerde, maksimum aşım değerleri azaltılır,
kalıcı durum hataları yok edilir. Geçici durum davranışının kısalması, maksimum
aşım değerlerini arttırmakta; maksimum aşımı azaltma durumunda da geçici durum
süresi uzamaktadır. Bu durum göz önünde bulundurularak, ortalama bir “cevap
zamanı”, “geçici davranış” ayarları seçilerek uygulanır. Bu uygulamaya tekabül eden
ve
değerleri, kontrolör tarafından otomatik olarak hesaplanır. Bu işlem, hem
hız kontrolörü, hem de akım kontrolörü için tekrarlanır. Şekil 3.9’da, bu ayarların
uygulandığı pencere gösterilmiştir.
101
Şekil 3.9: PI kontrolörde “PI tuner” penceresi.
Bu işlemler tamamlandıktan sonra, Şekil 3.8’deki simulink modelinin yapılan
simulasyonunda elde edilen sonuçlar, şekil 3.10.a.b’de gösterilmiştir. Sonuçlar için
scope ayarlarında, otomatik ölçekleme (auto scale) seçeneği seçilmiştir. PI tuner
ayarlamalarından sonra, kontrolörün otomatik olarak hesapladığı
PI Hız kontrolöründe,
PI Akım kontrolöründe,
,
,
değerinde olmuştur.
102
ve
değerleri;
(a)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0,0349;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=2,6163;
Minimum yerleşme (settling min)=0,0246;
Maksimum yerleşme (settling max)=0,0273;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=9,1821;
Tepe noktası (peak)=0,0273;
Tepe zamanı (peak time)=0,6492.
103
(b)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=1,1435;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=1,6973;
Minimum yerleşme (settling min)=9,0390;
Maksimum yerleşme (settling max)=10,1779,
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=1,7780;
Tepe noktası (peak)=10,1779;
Tepe zamanı (peak time)=2,7324.
Şekil 3.10.a.b: İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simülasyon sonucu grafikleri.
3.2.2.1 Yabancı uyartımlı dc motorun armatür kontrollü olarak matematiksel
modellemesi, simülasyonu ve sistemin kararlılığının kontrolü
Matematiksel modelinin elde edilmesi:
Armatür kontrolü yapılacak yabancı uyartımlı DC motorda, uyartım (ikaz)
akımı
sabit tutulurak armatür gerilimi değiştirilmek suretiyle armatür akımı değiştirilir. Yani
bu durumda,
Bu çalışma koşulunda
olacaktır [78].
ve
;
104
(3.21)
şeklinde olacaktır. Bu çalışmada, motorda zıt emk oluşur. Zıt emk, manyetik alan
içerisinde rotor bobininin hareket etmesi sonucundan doğar.
, motor zıt emk
sabitidir. Bu zıt emk;
(3.22)
şeklindedir.
, tork sabiti olarak tanımlanır [26].
Armatür devresine ait gerilim eşitlikleri yazılırsa;
(3.23)
Mekanik kısımdaki dinamik davranış, motor torkuna ve dış torka bağımlı olarak
değişiklik gösterir.
(3.24)
3.23 nolu denklemin Laplace dönüşümü alınırsa;
(3.25)
elde edilir.
yerine eşiti yazılarak;
(3.26)
elde edilir. 3.23 denkleminden elektriksel sistem;
(3.27)
şeklinde elde edilir. 3.24 denklemine Laplace dönüşümü uygulanırsa;
(3.28)
3.28 denkleminden mekanik sistem;
(3.29)
Elektriksel ve mekanik sistemi ifade eden denklemler bir arada değerlendirilerek –
şekil 3.11’de de gösterilen- sistemin blok diyagramı elde edilir.
105
Şekil 3.11: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun blok diyagramı [78].
Şekil 3.11’de verilen blok diyagrama göre;
(3.30)
elde edilir. 3.30 denklemi düzenlenerek;
(3.31)
açısal hız ifadesi elde edilir. 3.31 nolu denklemde
ve
yerine, 3.27 ve
3.29 nolu denklemlerde verilen eşitleri yazılırsa;
(3.32)
Sistemi ifade eden transfer fonksiyonları şekil 3.12’deki gibi belirtilebilir;
Şekil 3.12: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorda sistemin transfer fonksiyonlarını
ifade eden blok diyagram [78].
Buradan;
(3.33)
(3.34)
şeklinde ifade edilir. Eğer
ihmal edilirse, sistemin transfer fonksiyonu;
(3.35)
şeklinde tanımlanabilir [78].
106
Simülasyonu:
Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simülasyonu için; seçilen yabancı
uyartımlı DC motorun parametrik değerleri
,
sabiti
,
,
,
şeklindedir [20]. Bu sistemlerde bahsedilen, tork
, elektromotor kuvvet sabiti
, motor sabiti
eşit varsayılabilir
[20].
Yük torku ihmal edilerek, boşta çalışması istenen motorun simulink modeli şekil
3.13’de gösterilmiştir. Simulink modelinde,
olarak 10 V step giriş kullanılmıştır.
Simülasyonda, model konfigürasyon parametreleri için: solver ayarları içerisindeki
seçeneklerden, simülasyon stop zamanı 50.0, çözüm seçenekleri (solver options)
kısmında değişken adım (variable-step); solver olarak “ode 45 (Dormand-Prince)”;
diagnostics ayarları içerisindeki seçeneklerden, “automatic solver parameter
selection” seçeneği “none” olarak seçilmiştir. Simülasyondan önce, şekil 3.13’de
oluşturulan modelin “File” menüsü içerisindeki “model properties” komutu seçilerek,
açılan pencerede “Callbacks” menüsü altında bulunan “Model initialization function”
kısmına modelde kullanılan sabit parametrelerin değerleri girilmiştir.
Şekil 3.13: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simulink modeli.
Şekil 3.13’deki simulink modelinin yapılan simulasyonunda elde edilen sonuçlar,
şekil 3.14.a.b.c.d.e’de gösterilmiştir. Sonuçlar için scope ayarlarında, otomatik
ölçekleme (auto scale) seçeneği seçilmiştir.
107
(a)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0;
Minimum yerleşme (settling min)=10;
Maksimum yerleşme (settling max)=10;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0;
Tepe noktası (peak)=10,
Tepe zamanı (peak time)=0.
108
(b)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=1,1194;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=1,9607;
Minimum yerleşme (settling min)=9,1663;
Maksimum yerleşme (settling max)=9,9900;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=2,4796e-05;
Tepe noktası (peak)=9,9900;
Tepe zamanı (peak time)=13,6951.
109
(c)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=1,1194;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=1,9607;
Minimum yerleşme (settling min)=0,0917;
Maksimum yerleşme (settling max)=0,0999;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=2,4796e-05;
Tepe noktası (peak)=0,0999;
Tepe zamanı (peak time)=13,6951.
110
(d)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=1,1436;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=2,0767;
Minimum yerleşme (settling min)=0,9606;
Maksimum yerleşme (settling max)=1,0001;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0,0991;
Tepe noktası (peak)=1,0001;
Tepe zamanı (peak time)=13,6951.
111
(e)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=39,5205;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=49,0120;
Minimum yerleşme (settling min)=44,5845;
Maksimum yerleşme (settling max)=49,3512;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0;
Tepe noktası (peak)=49.3512;
Tepe zamanı (peak time)=50.
Şekil 3.14.a.b.c.d.e: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simülasyon sonucu
grafikleri.
Sistemin Kararlılığının Kontrolü:
3.35 denklemi ile ifade edilen transfer fonksiyonunda, örnek alınan yabancı uyartımlı
DC motorun parametrik değerleri yerleştirildikten sonra ortaya çıkan ifade, RouthHurwitz Kararlılık Analizi’ne göre test edilmiştir. Transfer fonksiyonuna parametrik
değerler yerleştirildiğinde;
elde edilir. Buradan;
112
şeklinde
oluşur.
Bu
karakteristik denkleme ait oluşturulan Routh-Hurwitz Tablosu çizelge 3.2’de
gösterilmiştir.
Çizelge 3.2: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun karakteristik denklemine ait
Routh-Hurwitz Tablosu.
s2
0,5
10,01
0
s1
6
0
0
s0
10,01
0
0
Karakteristik denklemdeki bütün katsayıların sıfırdan farklı oluşu ve çizelge 3.2’den
görüleceği üzere birinci sol sütundaki sayıların tümünün pozitif işaretli olması
nedeniyle sistem kararlıdır.
3.2.2.2 Yabancı uyartımlı dc motorun armatür kontrollü olarak çalıştırılmasında
pi kontrolör kullanarak hız ve tork kontrolünün gerçekleştirilmesi
Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI Kontrolörü ile Denetimi:
Şekil 3.13’de oluşturulan armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun simulink
modeline de, PI kontrolörü eklenebilir. Bu modelin tam bir kontrolünün sağlanması
için, ikaz kontrolünde olduğu gibi, iki adet PI kontrolörü eklenmelidir. Birinci PI
kontrolörü hız denetimi (kontrolü) için; ikinci PI kontrolörü ise, akım denetimi için
kullanılır.
Motorlarda, mekanik zaman sabitinin elektrik zaman sabitine oranla bir hayli büyük
olmasından dolayı, motor endüvisi için akım kontrolü gereklidir. Bir de, motor hızı
sıfırdan başladığında, maksimum hata oluşacaktır ve bunun üzerine verilen
maksimum voltaj sonucu, başlangıç anında büyük bir akım akışı meydana
gelecektir. Motorun ilk kalkışı esnasında, motorda oluşan zıt emk sıfıra eşit
olduğundan, motor akımı maksimum limitlere uzanacak ve bu da motor sargılarına
zarar verecektir. Motora akım kontrolörünün uygulanmasıyla,
motora uygulanan
voltaj, sadece hız hatasına veya sadece akım hatasına bağımlı olmayacaktır. Her
ikisi ile de, ilişkili olacaktır. Yani hem hız hatasına, hem de akım hatasına bağımlı
olacaktır. Böylelikle, hız kontrol ve akım kontrol olmak üzere iki çeşit motor kontrol
döngüsü olacaktır [26].
113
Şekil 3.15’de, motor torku,
akımı tarafından kontrol edilip iç akım kontrol döngüsü
ile regüle edilmektedir. Motor hızı ise, bir harici döngü tarafından kontrol edilir. Bu
döngünün çıkışı, akım kontrol döngüsü için referans akım girişini oluşturur.
kazancı ile ifade edilen akım sensörü,
akımının ölçümü için kullanılır.
kazancı ile ifade edilen hız sensörü ise, açısal hızın ölçümü için kullanılır [26].
İkaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörü ile denetiminde olduğu
gibi, armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörü ile denetiminde
de, kıyıcı
adı verilen basit bir kazanç parametresi ile temsil edilmiştir.
Simülasyonu:
Şekil 3.15 ile gösterilen armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI
kontrolörleriyle denetiminde yük torku ihmal edilmiştir. Motorun boşta çalışması
hedeflenmiştir. Step girişi 10 V seçilmiştir.
olarak varsayılmıştır. Bu nedenle,
çıkışının volt olarak değeri, açısal
hız girişi ile sayısal olarak aynı değeri taşır.
ve
seçilmiştir. Simulink
devresi çizildikten sonra, şekil 3.13’ün simülasyonunda yapıldığı gibi aynı işlemler
tekrarlanmıştır. Yani, model konfigürasyon parametreleri için: solver ayarları
içerisindeki seçeneklerden, simülasyon stop zamanı 10.0, çözüm seçenekleri (solver
options) kısmında değişken adım (variable-step); solver olarak “ode 45 (DormandPrince)”;
diagnostics
ayarları
içerisindeki
seçeneklerden,
“automatic
solver
parameter selection” seçeneği “none” olarak seçilmiştir. Şekil 3.15’de oluşturulan
modelin “File” menüsü içerisindeki “model properties” komutu seçilerek, açılan
pencerede “Callbacks” menüsü altında bulunan “Model initialization function”
kısmına modelde kullanılan sabit parametrelerin değerleri [20] girilmiştir.
Şekil 3.15: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simulink modeli.
114
Simülasyon esnasında, hız ve akım kontrolörlerinin, içerisindeki “Tune…” komutu
seçilerek, açılan pencerede “cevap zamanı (response time)” ve “geçici davranış
(transient behavior)” ayarları değiştirilir ve böylelikle hız-zaman ve tork-zaman
grafiklerinde iyileştirme yapılır. Bu grafiklerde, maksimum aşım değerleri azaltılır,
kalıcı durum hataları yok edilir. Geçici durum davranışının kısalması, maksimum
aşım değerlerini arttırmakta; maksimum aşımı azaltma durumunda da geçici durum
süresi uzamaktadır. Bu durum göz önünde bulundurularak ortalama bir “cevap
zamanı”, “geçici davranış” ayarları seçilerek uygulanır. Bu uygulamaya tekabül eden
ve
değerleri, kontrolör tarafından otomatik olarak hesaplanır. Bu işlem, hem
hız kontrolörü, hem de akım kontrolörü için tekrarlanır. Şekil 3.9’da, bu ayarların
uygulandığı pencere gösterilmiştir.
Bu işlemler tamamlandıktan sonra, Şekil 3.15’deki simulink modelinin yapılan
simulasyonunda elde edilen sonuçlar, şekil 3.16.a.b’de gösterilmiştir. Sonuçlar için
scope ayarlarında, otomatik ölçekleme (auto scale) seçeneği seçilmiştir. Yapılan PI
tuner ayarlamalarından sonra, kontrolörün otomatik olarak hesapladığı
değerleri;
PI Hız kontrolöründe,
,
PI Akım kontrolöründe,
,
,
değerinde olmuştur.
(a)
115
ve
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0,1487;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0,9059;
Minimum yerleşme (settling min)=0,9111;
Maksimum yerleşme (settling max)=1,1274;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=12,7388;
Tepe noktası (peak)=1,1274; Tepe zamanı (peak time)=0,3915.
(b)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0,2351;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0,6801;
Minimum yerleşme (settling min)=9,8274;
Maksimum yerleşme (settling max)=10,7445;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=7,4453;
Tepe noktası (peak)=10,7445; Tepe zamanı (peak time)=0,5172.
Şekil 3.16.a.b: Armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simülasyon sonucu grafikleri.
116
3.3 Fırçasız DC Motorun Matematiksel Modellemesi ve Simülasyonu
BLDC motorlar, güç elektroniği inverterlerinin kullanımını gerektirir. İnverter, voltajın
ortalama değerinin eş zamanlı olarak kontrolüyle (PWM yöntemi), elektronik
kollektör (komütatör) fonksiyonunu gerçekleştirir [83].
3.3.1 BLDC motorun matematiksel modelinin elde edilmesi
BLDC
motorun
matematiksel
modelinin
oluşturulabilmesi
amacıyla
gerekli
matematiksel denklemleri elde edebilmek için, şekil 3.17’de gösterilen üç faz yıldız
bağlı BLDC motorun eşdeğer devre şemasından yararlanılmıştır.
Şekil 3.17: Üç fazlı yıldız bağlı BLDC motorun eşdeğer devresi [84].
Şekil 3.17’de gösterilen büyüklüklerde;
stator faz akımlarını;
ve
endüktanslarını;
ve
,
ve
,
ve
,
ve
stator faz gerilimlerini;
stator faz dirençlerini;
,
ve
,
stator faz
stator faz sargıları arasındaki ortak endüktansı;
,
zıt elektromotor kuvveti ifade etmektedir.
Gerilim denklemleri:
BLDC motorun şekil 3.17’de verilen devreye göre gerilim denklemleri;
(3.36)
(3.37)
(3.38)
şeklinde ifade edilir. Stator sargılarının dengeli sarıldığı kabuluyle;
117
,
olarak alınabilir. Bu
,
durum neticesinde, 3.36, 3.37 ve 3.38 nolu denklemler;
(3.39)
(3.40)
(3.41)
şeklinde ifade edilebilir. Denklemler matrisyel olarak gösterilirse;
(3.42)
parantezine alınırsa;
3.39, 3.40 ve 3.41 nolu denklemler
(3.43)
(3.44)
(3.45)
Faz gerilimlerinin ve faz akımlarının toplamı, üç fazlı dengeli yükler söz konusu
olduğunda sıfırdır. Yani BLDC motorda da;
(3.46)
(3.47)
şeklindedir. 3.46 nolu denklemden;
,
yazılabilir. Bunlar 3.43,
,
3.44 ve 3.45 nolu denklemlerde yazılırsa;
(3.48)
(3.49)
(3.50)
3.48, 3.49 ve 3.50 nolu denklemler matrisyel olarak düzenlenirse;
(3.51)
şeklinde ifade edilir [84].
118
Zıt emk denklemleri:
Çalışan bir BLDC motorun her bir stator sargısında, stator sargılarına tatbik edilen
gerilimle ters yönlü bir gerilim oluşur. Bu gerilim zıt emk olarak adlandırılır. Oluşan
zıt emk, rotorun hızına, pozisyonuna ve sabit manyetik akısına bağlı olan bir
değişkendir. BLDC motorların stator sargılarında oluşan zıt emk, sinüzoidal veya
trapezoidal biçimlidir [85,86].
Üç faz BLDC motorda zıt emk, rotor pozisyonu ve rotor pozisyonunun kaynak
fonksiyonuna bağlıdır ve her fazın zıt emk’i birbiriyle 120º faz farkına sahiptir. Yani;
(3.52)
(3.53)
(3.54)
şeklinde ifade edilir. Bu denklemlerde,
-1
(V/rad.sn ),
rotor elektriki açısını,
bir fazın zıt emk’ni
açısal hızı (rad/s) ifade etmektedir [87].
Elektriki rotor açısı ile mekaniki rotor arasındaki ilişki;
(3.55)
şeklinde ifade edilir. Burada,
, mekaniki rotor açısıdır [87].
Elektromanyetik moment denklemleri:
Zıt emk cinsinden motorun ürettiği elektromanyetik tork (Nm);
(3.56)
şeklinde ifade edilir.
Mekanik bölümün eşitlikleri yazılırsa;
(3.57)
elde edilir. Burada,
momenti;
, yük torku; , motor şaftı ile ona eklenen yükün atalet
sürtünme sabitidir [87].
3.3.2 BLDC motor sürücüsünün matematiksel modelinin elde edilmesi
BLDC motor, şekil 3.18’de gösterilen standart üç faz inverter köprüsü vasıtasıyla bir
DC kaynak tarafından beslenir.
119
Şekil 3.18: BLDC motor devre diyagramı [88,89].
Şekil 3.18’deki inverter köprüsü anahtarlama modeli, üstteki faz ucuna bağlı
anahtarı her zaman alttaki faz ucundan bir anahtar ile bağlantısını gerçekleştirir. Bu
düzenlemeyle, aynı anda üç faz BLDC motorun iki fazı aynı anda aktif olur. Bu
duruma göre voltaj eşitliği;
(3.58)
şeklindedir. Burada;
= DC besleme voltajı (V),
= Stator sargı direnci (Ω/faz),
= Armatür akımı (A),
= Faz başına stator sargısı öz endüktansı (H),
= İki stator fazı arasındaki ortak (karşılıklı) endüktans (H),
= Birinci akım taşıyıcı faz sargısının zıt elektromotor-kuvveti (V),
= İkinci akım taşıyıcı faz sargısının zıt elektromotor-kuvveti (V),
(Ω),
(H)’dir.
İki akım taşıyıcı faz boyunca oluşan zıt emk’leri motor hızı ile orantılıdır. Bundan
dolayı 3.58 nolu denklem;
(3.59)
şeklinde ifade edilebilir. İki akım taşıyıcı faz tarafından üretilen elektromanyetik tork
stator akımı ile orantılıdır. Yani;
(3.60)
120
şeklindedir. Yük torku, motor hızının değişimi ile hesaplanır. Yük torku ile ilişkili
oransal faktör, yükleme durumuna göre değişen lineer olmayan bir sabittir. Yük
torku;
(3.61)
şeklinde ifade edilir. 3.57 nolu denklemde
ve
ifadelerinin yerlerine eşitleri
yazıldığında;
(3.62)
ifadesi elde edilir [88,89]. Burada;
= Motorun emk sabiti (V.s/rad veya N.m/A),
= Rotorun mekaniki hızı (rad/s),
= Motor tarafından üretilen elektromanyetik tork (N.m),
= Yük torku (N.m),
= Yük torku sabiti (N.m.s/rad),
= Motor şaftı ve ona eklenen yükün atalet (eylemsizlik) momenti (kg.m2),
= Sürtünme katsayısı (N.m.s/rad)’dır.
3.58, 3.59, 3.60, 3.61 ve 3.62’de verilen zaman domeni eşitlikleri ve şekil 3.19’da
gösterilen blok diyagramda verilen transfer fonksiyonları ile BLDC motorun kontrolü
tanımlanmıştır. Bu sistem, iki kontrolöre sahiptir. İç çevrimde bir akım kontrolörü, dış
çevrimde bir hız kontrolörü yer almaktadır. Her iki çevrim için de PI kontrolü tercih
edilmiştir. İki kontrolör, farklı zaman skalasında çalışmaktadır. Sistem bileşenlerinin
motor ve transfer fonksiyonu parametreleri çizelge 3.3’de verilmiştir [88,89].
Şekil 3.19: BLDC motor sürücü sisteminin blok diyagramı [88,89].
121
Çizelge 3.3: BLDC sürücü sisteminin parametreleri [88,89].
Motor anma değerleri ve parametreleri
Güç
373 W
Akım
17,35 A
Gerilim
160 V
Tork
0,89 N.m
Armatür direnci (Ra)
1,4 Ω
Armatür endüktansı (La)
2,44 mH
Atalet momenti (J)
0,0002 kg.m²
Sürtünme katsayısı (B)
0,002125 N.m.s/rad
emk sabiti (Kb)
0,513 V.s
Sistem bileşenlerinin transfer fonksiyonu parametreleri
Konverter kazancı (Kr)
16 V/V
Konverter zaman sabiti (Tr)
50 µs
Akım transdüseri kazancı (Kc)
0,288 V/A
Akım transdüseri zaman sabiti (Tc)
0,159 µs
Hız sensörü kazancı (Kw)
0,0239 V.s
Hız sensörü zaman sabiti (Tw)
1 ms
Simülasyonu:
Bu sistem baz alınarak, yani şekil 3.19’da gösterilen ve çizelge 3.3’de parametrik
değerleri verilen sistemin, matlab-simulink modeli oluşturulmuş, oluşturulan simulink
modeli şekil 3.20’de gösterilmiş ve simulink platformunda motorun yüksüz durumu
(yük torku ihmal edilerek) incelenmiş; sonuçlar kaydedilmiştir.
Simülasyonda, 10 V step giriş seçilmiş; model konfigürasyon parametreleri için:
solver ayarları içerisindeki seçeneklerden, simülasyon stop zamanı 1, çözüm
seçenekleri (solver options) kısmında değişken adım (variable-step); solver olarak
“ode23t (mod.stiff/Trapezoidal)”; diagnostics ayarları içerisindeki seçeneklerden,
“automatic solver parameter selection” seçeneği “none” olarak seçilmiştir. Şekil
3.20’de oluşturulan modelin “File” menüsü içerisindeki “model properties” komutu
seçilerek, açılan pencerede “Callbacks” menüsü altında bulunan “Model initialization
function” kısmına modelde kullanılan sabit parametrelerin değerleri [88,89] girilmiştir.
122
Şekil 3.20: BLDC motor sürücü sisteminin matlab/simulink modeli.
Simülasyon esnasında, hız ve akım kontrolörlerinin, içerisindeki “Tune…” komutu
seçilerek, açılan pencerede “cevap zamanı (response time)” ve “geçici davranış
(transient behavior)” ayarları değiştirilir ve böylelikle hız-zaman ve tork-zaman
grafiklerinde iyileştirme yapılır. Bu grafiklerde, maksimum aşım değerleri azaltılır,
kalıcı durum hataları yok edilir. Geçici durum davranışının kısalması, maksimum
aşım değerlerini arttırmakta; maksimum aşımı azaltma durumunda da geçici durum
süresi uzamaktadır. Bu durum göz önünde bulundurularak ortalama bir “cevap
zamanı”, “geçici davranış” ayarları seçilerek uygulanır. Bu uygulamaya tekabül eden
ve
değerleri, kontrolör tarafından otomatik olarak hesaplanır. Bu işlem, hem
hız kontrolörü, hem de akım kontrolörü için tekrarlanır. Şekil 3.9’da, bu ayarların
uygulandığı pencere gösterilmiştir.
Bu işlemler tamamlandıktan sonra, Şekil 3.20’deki simulink modelinin yapılan
simulasyonunda elde edilen sonuçlar, şekil 3.21.a.b’de gösterilmiştir. Sonuçlar için
scope ayarlarında, otomatik ölçekleme (auto scale) seçeneği seçilmiştir. Yapılan PI
tuner ayarlamalarından sonra, kontrolörün otomatik olarak hesapladığı
ve
değerleri;
PI Hız kontrolöründe,
PI Akım kontrolöründe,
,
,
değerinde olmuştur.
123
;
(a)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0,0013;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0,2618;
Minimum yerleşme (settling min)=0,8787;
Maksimum yerleşme (settling max)=1,6921;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=89,8198;
Tepe noktası (peak)=1,6921;
Tepe zamanı (peak time)=0,0041.
124
(b)
için;
Yükselme zamanı (rise time)=0,1337;
Yerleşme veya yatışma zamanı (settling time)=0,2189;
Minimum yerleşme (settling min)=387,9303;
Maksimum yerleşme (settling max)=423,0274;
Maksimum aşma veya aşım (overshoot)=0,7691;
Tepe noktası (peak)=423,0274;
Tepe zamanı (peak time)=0,4124.
Şekil 3.21.a.b: BLDC motorun PI kontrolörleriyle yapılan denetiminin simülasyon sonucu
grafikleri.
125
126
4. SONUÇLAR
4.1 Giriş
Bu bölümde, üçüncü bölümde yapılan simülasyonların sonucunda elde edilen
grafiklerin yorumu ve karşılaştırılması yapılmıştır.
Yabancı uyartımlı DC motorun ikaz kontrollü ve armatür kontrollü olarak oluşturulan
simulink modellerinin simülasyon sonuçları sadece yorumlanmış; yabancı uyartımlı
DC motorun ikaz kontrollü ve armatür kontrollü olarak PI kontrolörleri kullanarak
oluşturulan simulink modellerinin simülasyon sonuçları ile BLDC motorun PI
kontrolörleri kullanarak oluşturulan simulink modellerinin simülasyon sonuçları, hem
yorumlanmış, hem de karşılaştırılması yapılmıştır.
4.2 Simülasyon Sonuçlarının Değerlendirilmesi
Bu çalışmada, tüm simülasyonlar, örnek seçilen motorların boşta çalışması
durumuna göre yapılmış ve bunun neticesindeki sonuçlar irdelenmiştir.
4.2.1 İkaz kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun simülasyon sonuçları
değerlendirmesi
olarak 10 V step giriş kullanılmış; ikaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun
simulink modelinin simülasyonuyla elde edilen step cevapları şekil 3.5.a.b.c.d.e’de
gösterilmiştir.
Şekil 3.5.a, uyartım gerilimi-zaman grafiği olup sistemin step girişinin durumunu
ifade etmektedir. 50 saniye boyunca minimum yerleşme, maksimum yerleşme ve
tepe değerinin 10 V’a eşit olduğunu göstermektedir.
Şekil 3.5.b, uyartım akımı-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı 0,2489 s,
yerleşme zamanı 0,44 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 0,0398 A,
maksimum yerleşme değeri 0,0429 A, tepe değeri 0,0429 A’dir. Tepe değerine
ulaşma zamanı 1,2355 s sürmektedir. Grafik hemen hemen stabildir. Aşım % 0,0218
olup çok düşük bir değerdedir. Kararlı hâl değeri
A’dir.
127
Şekil 3.5.c, elektromanyetik tork-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı
0,2489 s, yerleşme zamanı 0,44 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 0,0774
N.m, maksimum yerleşme değeri 0,0836 N.m, tepe değeri 0,0836 N.m’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 1,2355 s sürmektedir. Grafik hemen hemen stabildir. Aşım
% 0,0218 olup çok düşük bir değerdedir. Kararlı hâl değeri
N.m’dir.
Şekil 3.5.d, açısal hız-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı 1,5456 s,
yerleşme zamanı 2,799 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 31,6534 rad/s,
maksimum yerleşme değeri 33,4299 rad/s, tepe değeri 33,4299 rad/s’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 13,7569 s sürmektedir. Grafik hemen hemen stabildir.
Aşım % 0,0143 olup çok düşük bir değerdedir. Kararlı hâl değeri
rad/s’dir.
Şekil 3.5.e, motor çıkış açısı-zaman grafiğidir. Bu grafikte, motor çıkış açısı, zamana
bağlı olarak doğrusal bir değişim göstermektedir.
4.2.2 Armatür kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun simülasyon sonuçları
değerlendirmesi
olarak 10 V step giriş kullanılmış; armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun
simulink modelinin simülasyonuyla elde edilen step cevapları şekil 3.14.a.b.c.d.e’de
gösterilmiştir.
Şekil 3.14.a, armatür gerilimi-zaman grafiği olup sistemin step girişinin durumunu
ifade etmektedir. 50 saniye boyunca minimum yerleşme, maksimum yerleşme ve
tepe değerinin 10 V’a eşit olduğunu göstermektedir.
Şekil 3.14.b, armatür akımı-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı 1,1194
s, yerleşme zamanı 1,9607 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 9,1663 A,
maksimum yerleşme değeri 9,99 A, tepe değeri 9,99 A’dir. Tepe değerine ulaşma
zamanı 13,6951 s sürmektedir. Grafik hemen hemen stabildir. Aşım % 2,4796.10-5
olup ihmâl edilebilecek mertebededir. Kararlı hâl değeri, aşım ihmâl edildiğinde,
maksimum yerleşme değeri olan 9,99 A’e eşittir.
Şekil 3.14.c, elektromanyetik tork-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı
1,1194 s, yerleşme zamanı 1,9607 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 0,0917
N.m, maksimum yerleşme değeri 0,0999 N.m, tepe değeri 0,0999 N.m’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 13,6951 s sürmektedir. Grafik hemen hemen stabildir.
Aşım % 2,4796.10-5 olup ihmâl edilebilecek mertebededir. Kararlı hâl değeri, aşım
ihmâl edildiğinde, maksimum yerleşme değeri olan 0,0999 N.m’ye eşittir.
128
Şekil 3.14.d, açısal hız-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı 1,1436 s,
yerleşme zamanı 2,0767 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 0,9606 rad/s,
maksimum yerleşme değeri 1,001 rad/s, tepe değeri 1,001 rad/s’dir. Tepe değerine
ulaşma zamanı 13,6951 s sürmektedir. Grafik hemen hemen stabildir. Aşım %
0,0991 olup çok düşük bir değerdedir. Kararlı hâl değeri
rad/s’dir.
Şekil 3.14.e, motor çıkış açısı-zaman grafiğidir. Bu grafikte, motor çıkış açısı,
zamana bağlı olarak doğrusal bir değişim göstermektedir.
4.2.3 İkaz kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun pi kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simülasyon sonuçları değerlendirmesi
olarak 10 V step giriş kullanılmış; ikaz kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun PI
kontrolörleriyle yapılan denetiminin simulink modelinin simülasyonuyla elde edilen
step cevapları şekil 3.10.a.b’de gösterilmiştir.
Şekil 3.10.a, elektromanyetik tork-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı
0,0349 s, yerleşme zamanı 2,6163 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 0,0246
N.m, maksimum yerleşme değeri 0,0273 N.m, tepe değeri 0,0273 N.m’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 0,6492 s sürmektedir. Elektromanyetik tork, ilk anda bir pik
yapmakta, daha sonra kararlı, stabil bir duruma ulaşmaktadır. PI kontrolörlerinin Kp
ve Ki değerlerinin değiştirilmesi ile bu pik değeri yani aşım, azaltılabilmekte ya da
arttırılabilmektedir. Ancak buna mukabil, aşım azaltıldığında geçici durum süresi
uzamakta; aşım daha çok arttırıldığında ise, geçici durum süresi kısalmasına karşın,
çekilen akımın daha da fazla olması motor sargıları için tehlikeli bir hâl almasına
sebep olmaktadır. Bu durum göz önünde bulundurularak, ortalama bir yol seçilerek
en uygun durumun belirlenmesine çalışılmış; PI kontrolörlerinin Kp ve Ki değerleri
deneme-yanılma metoduyla bu duruma göre ayarlanmıştır. Oluşan bu duruma göre
aşım, % 9,1821 değerini almıştır. Kararlı hâl değeri
N.m değerinde olmuştur.
Şekil 3.10.b, açısal hız-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı 1,1435 s,
yerleşme zamanı 1,6973 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 9,0390 rad/s,
maksimum yerleşme değeri 10,1779 rad/s, tepe değeri 10,1779 rad/s’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 2,7324 s sürmektedir. Maksimum aşım ve geçici durum
süresi ilişkisi göz önünde tutularak, en uygun Kp ve Ki parametrelerinin
belirlenmesiyle aşım, % 1,7780 değerini almıştır. Kararlı hâl değeri
rad/s değerinde olmuştur.
129
4.2.4 Armatür kontrollü yabancı uyartımlı dc motorun pi kontrolörleriyle
yapılan denetiminin simülasyon sonuçları değerlendirmesi
olarak 10 V step giriş kullanılmış; armatür kontrollü yabancı uyartımlı DC motorun
PI kontrolörleriyle yapılan denetiminin simulink modelinin simülasyonuyla elde edilen
step cevapları şekil 3.16.a.b’de gösterilmiştir.
Şekil 3.16.a, elektromanyetik tork-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı
0,1487 s, yerleşme zamanı 0,9059 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 0,9111
N.m, maksimum yerleşme değeri 1,1274 N.m, tepe değeri 1,1274 N.m’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 0,3915 s sürmektedir. Elektromanyetik tork-zaman
grafiğinde aşımın belirlenmesi için, aşım-geçici durum süresi ilişkisine dikkat ederek
hareket edilmiş; bu amaçla PI kontrolörlerinin en uygun Kp ve Ki değerleri, denemeyanılma metoduyla ayarlanmıştır. Oluşan bu duruma göre aşım, % 12,7388 değerini
almıştır. Kararlı hâl değeri
N.m değerinde olmuştur.
Şekil 3.16.b, açısal hız-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı 0,2351 s,
yerleşme zamanı 0,6801 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 9,8274 rad/s,
maksimum yerleşme değeri 10,7445 rad/s, tepe değeri 10,7445 rad/s’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 0,5172 s sürmektedir. Açısal hız-zaman grafiğinde aşımın
belirlenmesi için, aşım-geçici durum süresi ilişkisine dikkat ederek hareket edilmiş;
bu amaçla PI kontrolörlerinin en uygun Kp ve Ki değerleri, deneme-yanılma
metoduyla ayarlanmıştır. Oluşan bu duruma göre aşım, % 7,4453 değerini almıştır.
Kararlı hâl değeri
rad/s değerinde olmuştur.
4.2.5 BLDC motorun pi kontrolörleriyle yapılan denetiminin simülasyon
sonuçları değerlendirmesi
Simülasyonda 10 V step giriş kullanılmış; BLDC motorun PI kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simulink modelinin simülasyonuyla elde edilen step cevapları şekil
3.21.a.b’de gösterilmiştir.
Şekil 3.21.a, elektromanyetik tork-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı
0,0013 s, yerleşme zamanı 0,2618 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 0,8787
N.m, maksimum yerleşme değeri 1,6921 N.m, tepe değeri 1,6921 N.m’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 0,0041 s sürmektedir. BLDC motorda, sistem cevabı çok
hızlı ve ilk başlangıçta elektromanyetik tork pik değerleri çok yüksek olmaktadır. PI
kontrolörlerin Kp ve Ki değerlerini uygun seçmek suretiyle, mümkün olabildiğince
geçici durum kısa tutulup tork pik değeri (aşım) düşük elde edilmeye çalışılmıştır.
130
Oluşan bu duruma göre aşım, % 89,8198 değerini almıştır. Kararlı hâl değeri
N.m değerinde olmuştur.
Şekil 3.21.b, açısal hız-zaman grafiğidir. Bu grafikte, yükselme zamanı 0,1337 s,
yerleşme zamanı 0,2189 s sürmektedir. Minimum yerleşme değeri 387,9303 rad/s,
maksimum yerleşme değeri 423,0274 rad/s, tepe değeri 423,0274 rad/s’dir. Tepe
değerine ulaşma zamanı 0,4124 s sürmektedir. PI kontrolörlerin Kp ve Ki değerlerini
uygun seçmek suretiyle, mümkün olabildiğince geçici durum kısa tutulup açısal hız
pik değeri (aşım) düşük elde edilmeye çalışılmıştır. Oluşan bu duruma göre aşım, %
0,7691 değerini almıştır. Kararlı hâl değeri
rad/s
değerinde olmuştur.
4.2.6 Yabancı uyartımlı dc motor ile BLDC motorun pi kontrolörleriyle yapılan
denetiminin simülasyon sonuçlarının karşılaştırılması
Tork Karakteristiklerinin Karşılaştırılması:
Şekil 3.10.a ile ifade edilen karakteristik, yabancı uyartımlı DC motorun ikaz
kontrollü olarak çalıştırılmasına ait tork karakteristiği; şekil 3.16.a ile ifade edilen
karakteristik, yabancı uyartımlı DC motorun armatür kontrollü olarak çalıştırılmasına
ait tork karakteristiği; şekil 3.21.a ile ifade edilen karakteristik ise, BLDC motora ait
tork karakteristiğidir.
BLDC motorun tork karakteristik değerlerine bakıldığında, sistemin cevap süresinin
yabancı uyartımlı DC motora göre, çok daha kısa olduğu görülmektedir. BLDC
motorun yükselme ve yerleşme zamanları, tepe değerine ulaşma süreleri yabancı
uyartımlı DC motora oranla daha kısadır. BLDC motorda, maksimum aşım değerleri,
kısa cevap süresine karşın daha yüksek olmaktadır.
Hız Karakteristiklerinin Karşılaştırılması:
Şekil 3.10.b ile ifade edilen karakteristik, yabancı uyartımlı DC motorun ikaz
kontrollü olarak çalıştırılmasına ait hız karakteristiği; şekil 3.16.b ile ifade edilen
karakteristik, yabancı uyartımlı DC motorun armatür kontrollü olarak çalıştırılmasına
ait hız karakteristiği; şekil 3.21.b ile ifade edilen karakteristik ise, BLDC motora ait
hız karakteristiğidir.
BLDC motorun hız karakteristik değerlerine bakıldığında, sistemin cevap süresinin
yabancı uyartımlı DC motora göre, daha kısa olduğu görülmektedir. BLDC motorun
yükselme ve yerleşme zamanları, tepe değerine ulaşma süreleri yabancı uyartımlı
DC motora oranla daha kısadır. BLDC motorda, maksimum aşım değerleri de,
131
yabancı uyartımlı DC motorlara göre daha düşük olmaktadır. Genel görünüm
itibariyle, iki tip motorun hız karakteristikleri birbirine benzemektedir.
Gelecek çalışmada, bu motorların yüklü durumdaki davranışları incelenebilir.
132
KAYNAKLAR
[1]
(www.anaheimautomation.com/manuals/forms/brush-dc-motor-guide.php),
Erişim Tarihi: 23.02.2015, Sa: 21:20.
[2] DEWAN, S. B., SLEMON, G. R., STRAUGHEN, A., [1984], “Power
Semiconductor Drives”, John Wiley & Sons.
[3] ELKESHET, A., [2009], “New Developments Using ANFIS for DC Motors Speed
Control”, MSc. Thesis, Electrical and Computer Engineering, Dalhousie University,
Canada, April.
[4] WILAMOWSKI, B., M., IRWIN, J., D., [2011], “Power Electronics and Motor
Drives”, Taylor and Francis Group, LLC, USA.
[5] KO, J-S, CHOI, J-S, CHUNG, D-H, [2006], “Hybrid Artificial Intelligent Control for
Speed Control of Induction Motor”, SICE-ICASE International Joint Conference, Oct.
18-21, in Bexco, Busan, Korea, PP. 678-683.
[6] KIM, S-H, PARK, T-S, YOO, J-Y, PARK, G-T, [2001], “Speed-sensorless Vector
Control of An Induction Motor Using Neural Network Speed Estimation”, IEEE
Transactions on Industrial Electronics, Vol.48, Issue: 3, PP.609-614, June.
[7] ATAN, Ö., [2007], “Fırçasız DA motorunun Modellenmesi ve PWM Yöntemiyle
Kontrolü”, Yüksek Lisans Tezi, Yüzüncü Yıl Üniversitesi, Van.
[8] (http://www.3eelectrotech.com.tr/arsiv/yazi/fyrcasyz-dc-motorun-lineer-kareselkontrol-lqr-yontemi-ile-konum-denetimi), Erişim tarihi: 30.03.2014, Sa:15:05.
[9] NASAR, S.A., BOLDEA, I., and UNNEWEHR, L.E., [1993], “Permanent Magnet,
Reluctance and Self-Synchronous Motors”, CRC Press, USA.
[10] (http://www.mugul.com/bldc.htm), Erişim Tarihi: 29.03.2014, Sa: 23:00.
[11] (http://prezi.com/evjvia1b2bwz/fircasiz-dc-motorlar/), Erişim Tarihi: 29.03.2014,
Sa:23:50.
[12] ACARNLEY, P.P., WATSON, J.F., [2006], “Review of Position-Sensorless
Operation of Brushless Permanent-Magnet Machines”, IEEE Trans. Ind. Electron;
53(2):352-62.
[13] LAI, Y.S., LIN, Y.K., [2007], “A New Cost Effective Sensorless Commutation
Method for Brushless DC Motors Without Using Phase Shift Circuit and Neutral
Voltage”, IEEE Trans. Power Electron; 22(2):644-53.
[14] KARAKULAK, O., YAZ, O. ve diğerleri, [2012], “PIC Tabanlı Fırçasız DC Motor
Sürücü Tasarımı”, 3.Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi, 29-30 Kasım,
Balıkesir.
[15] ULU, B., [2011], “Fırçasız Doğru Akım Motor (BLDC) Hız Kontrolü”, Yüksek
Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi, Malatya.
[16] GÖDEKOĞLU, H., [2007], “Fırçasız Doğru Akım Motoru Konum Kontrolü
Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Tez No:223613, İTÜ.
133
[17] GUMASTE, A.V. and SLEMON, G.R., [1981], “Steady-State Analysis of a
Permanent Magnet Synchronous Motor Drive with Voltage-Source Inverter”, IEEE
Trans. On Industry Appl., Vol. IA-17, pp. 143-151.
[18] LE-HAY, H., DESSAINT, L.A., [1989], “An Adaptive Current Control Scheme for
PWM Synchronous Motor Drives: Analysis and Simulation”, IEEE Transactions on
Power Elect., Vol 4, No 4, pp. 486-495.
[19] BOSE, B.K., [1990], “An Adaptive Hysteresis-Band Current Control Technique
of a Voltage-Fed PWM Inverter for Machine Drive System”, IEEE Transactions on
Ind. Elec., Vol 37, No 5. pp. 456-462.
[20] MOHAMMED, J. A., [2011], “Modeling, Analysis and Speed Control Design
Methods of a DC Motor”, Eng. & Tech. Journal, Vol. 29, No. 1.
[21] KARTHIKEYAN, J., DHANA SEKARAN, R., [2011], “Current Control of
Brushless DC Motor Based on a Common DC Signal for Space Operated Vehicles”,
Electrical Power and Energy Systems 33 (2011) 1721-1727.
[22] WU, Q., TIAN W., [2012], “Design of Permanent Magnet Brushless DC Motor
Control System Based on dsPIC30F4012”, Procedia Engineering 29 (2012) 42234227.
[23] WANG, H., [2012], “Design and Implementation of Brushless DC Motor Drive
and Control System”, Procedia Engineering 29 (2012) 2219-2224.
[24] JANPAN, I. et al., [2012], “Control of the Brushless DC Motor in Combine
Mode”, Procedia Engineering 32 (2012) 279-285.
[25] SINGH, S., PANDEY, A. K., DIPRAJ, [2012], “Design of PI Controller to
Minimize The Speed Error of DC Servo Motor”, International journal of scientific &
technology research volume 1, issue 10, november 2012 ISSN 2277-8616.
[26] SALEM, F. A., [2013], “Dynamic Modeling, Simulation and Control of Electric
Machines for Mechatronics Applications”, International Journal of Control,
Automation and Systems, Vol. 1 No. 2, April 2013, ISSN 2165-8277 (Print), ISSN
2165-8285 (Online).
[27] CHOWDHURY, D., CHATTOPADHYAY, M., ROY, P., [2013], “Modelling and
Simulation of Cost Effective Sensorless Drive for Brushless DC Motor”, Procedia
Technology 10 (2013) 279-286.
[28] CONDIT, R., [2010], “Brushed DC Motor Fundamentals”, Microchip Technology
Inc. App. Note AN 905, USA.
[29] YEDAMALE, P., [2003], “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals”,
Microchip Technology Inc. App. Note AN885, USA.
[30] (www. aliexpress.com), Erişim Tarihi: 22.02.2015, Sa: 14:16.
[31] (www.baldorturkiye.com), Erişim Tarihi: 07.05.2014, Sa:19:30.
[32]
(www.electrical-knowhow.com/2012/05/classification-of-electric-motors.html),
Erişim Tarihi: 21.02.2015, Sa:21:20.
[33] (www.hakanyazar.com.tr), Erişim Tarihi: 22.02.2015, Sa: 20:40.
[34] AKMEŞE, D., [2006], “Güneş Panelinden Beslenen Bir DA Motorun
Çalıştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üni., Ankara.
[35] MOUTON, J., [2006], “Brushed DC Motor Basics”, Microchip Technology Inc.
Web-Seminar, USA.
[36] (www.butunsinavlar.com/dc-motorlarin-calisma-prensibi-html), Erişim Tarihi:
24.02.2015, Sa: 14:22.
134
[37]
(www.elektrikport.com/makale-detay/dc-motorlar-nasil-calisir-elektrikportakademi/6886#ad-image-0), Erişim Tarihi: 24.02.2015, Sa: 14:30.
[38] (http://vlab.ee.nus.edu.sg/~bmchen/courses/EG1108_DC motors.pdf), Erişim
Tarihi: 24.02.2015, Sa: 14:40.
[39] GÖKKAYA, M., OĞUZ, N., [1985], “Elektrik Makinaları Cilt-1 (Doğru Akım)”,
Sayfa 149-154, Milli Eğitim Basımevi, İstanbul.
[40] BAL, G., [2008], “Doğru Akım Makinaları ve Sürücüleri”, Sayfa 105-201, Seçkin
Yayıncılık, Ankara.
[41] (www.metu.edu.tr/ tcemil/fircasizdc.doc), Erişim Tarihi: 16.03.2014, Sa:18:00.
[42] DEMİRBAŞ, Ş., [1995], “Fırçasız DA Motorlarının Simülasyonu ve Analizi”,
Yüksek Lisans Tezi, Tez No:36077, Gazi Üniversitesi, Ankara.
[43] ÖZTURA, H., BAYINDIR, S.H., [1995], “Fırçasız DA Motorlarının Sonlu
Elemanlar Yöntemiyle Analizi”, Elektrik Mühendisliği 6. Ulusal Kongresi.
[44] ORMAN, K., [2008], “Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlar için Akım Gözetleyici ve
Hız Kestirimi”, Yüksek Lisans Tezi, Tez No:177024, Erzurum.
[45] EROL, Y., [2004], “Fırçasız DA Motorlarının Çalışma Karakteristikleri”, Tübitak
Yayınları.
[46]
(http://www.elektrikrehberiniz.com/elektrik-motorlari/fircasiz-dc-motorlar3835/#wrap), Erişim Tarihi: 16.03.2014, Sa: 18:20.
[47]
(http://www.emo.org.tr/ekler/7c799ffdfee150b_ek.pdf),
09.04.2014, Sa: 16:30.
Erişim
Tarihi:
[48] AYDOĞDU, Ö., [2006], “Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Genetik Tabanlı
Bulanık Denetleyici ile Sensörsüz Kontrolü”, Doktora Tezi, Tez No:183326, Konya.
[49] MILLER, T., [1989], “Brushless PM and Reluctance Motor Drives”, Clarendon
Press, Oxford.
[50] YILMAZ, M., [2005], “Fırçasız Doğru Akım Motorunun Algılayıcısız Kontrolünde
Dalgacık Tekniğinin Uygulanması”, Doktora Tezi, Tez No:223536, İTÜ.
[51] (http://elektroteknoloji.com/blog/alan-etkili-sensor-hall-effect-sensor/ ), Erişim
Tarihi: 10.04.2014, Sa:18:00.
[52] (http://electronics.ege.edu.tr/egurcan/emyo/4.pdf), Erişim Tarihi: 10.04.2014,
Sa:19:30.
[53] HENDERSHOT, J.R., MILLER, T., [1994], “Design of Brushless Permanent
Magnet Motors”, Magna Physics Publishing and Clarendon Press, Oxford.
[54] WATANABE, H., KATSU ISHIMA, H., FUJII, T., [1991], “An Improved
Measuring System of Rotor Position Angles of the Sensorless Direct Drive Servo
Motor”.
[55] KARACA, H., [2004], “PIC Mikrodenetleyici Kullanılarak Fırçasız DC Motorun
Sensörsüz Kontrolü”, Yüksek Lisans Tezi, Tez No:154012, Konya.
[56] TÜRKMEN, Y., GEÇTAN, C., [1993], “Kumanda Devreleri 2”, Sayfa 132-265,
Yeniyol Matbaası, İzmir.
[57] GÜLGÜN, R., [1990], “Güç Elektroniğine Giriş”, Sayfa 35-37, Beta Basım Yayın
Dağ. A.Ş. 4. baskı, İstanbul.
[58] BOSE, B.K., [1997], “Power Electronics and Variable Frequency Drives”, IEEE
Press, New York 640.
135
[59] (www.fircasiz.com/pxp/ana-sayfa/fircasiz-motorlar-hakkinda.php), Erişim Tarihi:
16.03.2014, Sa:18:05.
[60] BEKTAŞ, Y., OYMAN SERTELLER, N.F., [2010], “Fırçasız DA Motorun
Kontrolünde PWM ve Histeresiz Bant Tekniğinin Karşılaştırılması”, SDU
International Journal of Technologic Sciences, Vol. 2, No 3, September, pp. 31-45.
[61] GEDİKPINAR, M., GÜLDEMİR, H., [2002], “Fırçasız Doğru Akım Motorlarının
Algılayıcısız Hız Kontrolü”, Politeknik Dergisi, Cilt: 5, Sayı: 4, s. 273-279.
[62] LIU, Z., ZHUANG, S.W., [2003], “Speed Control of DC Motor Using BP Neural
Networks”, IEEE 2003, 832-835.
[63] CLAUDIA, P., MIGUEL, S., [2008], “Speed Control of a DC Motor by Using
Fuzzy Variable Structure Controller”, IEEE Control Conference, 311-315.
[64] WANG, Y., XIA, C., ZHANG, M., LIU, D., [2007], “Adaptive Speed Control for
Brushless DC Motors Based on Genetic Algorithm and RBF Neural Network”, IEEE
International Conference on Control and Automation, 1219-1222.
[65] COŞKUN, İ., TERZİOĞLU, H., [2007], “Hız Performans Eğrisi Kullanılarak
Kazanç (PID) Parametrelerinin Belirlenmesi”, Journal of Technical-Online, 180-205.
[66] GENÇER, Ç., [2005], “Fırçasız Doğru Akım Motor Mil Büyüklüklerinin (Hız ve
Konum) Sinirsel Bulanık Denetleyici ile Denetimi”, Gazi Üni. Fen Bilimleri Ens.,
Doktora Tezi.
[67] GENÇER, Ç., COŞKUN, İ., [2005], “Farklı Yük Koşullarında Klasik Denetleyici
Performanslarının Karşılaştırılması”, Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları.
[68] IBRAHIM, Z., LEVI, E., [2002], “A Comparative Analysis of Fuzzy Logic and PI
Speed Control in High-Performance AC Drives Using Experimental Approach”,
Transactions on Industrial Electronics, 38, 5, 1210-1218.
[69] TUNCAY, R.N., ÜSTÜN, Ö., YILMAZ, M., [2004], “Fırçasız Doğru Akım
Makinasının (BLDC) MATLAB/Simulink Ortamında Modellenmesi ve Algılayıcısız
Kontrolü”, Conference for Computer-Aided Engineering and System Modeling with
Exhibition, 9-10 Aralık, İstanbul.
[70] ÇELEBİ, M., [2009], “Genetik Algoritma ile Kuru Bir Trafonun Ağırlık
Optimizasyonu ve Sonlu Elemanlar Metodu ile Analizi”, KSÜ Mühendislik Bilimleri
Dergisi, 12(2) 2009, Erzurum.
[71] ANGELINE, P.J., [1995], “Evolution revolution: An Introduction to the Special
Track on Genetic and Evolutionary Programming”, IEEE Expert Intelligent Systems
and Their Applications 10, June pp.6-10.
[72] BINGUL, Z., SEKMEN, A., ZEIN-SABATTO, J., [2000], “Evolutionary Approach
to Multi-Objective Problems Using Adaptive Genetic Algorithms”, Systems, Man and
Cybernetics, 2000 IEEE International Conference, vol. 3, pp. 1923-1927.
[73] ELMAS, Ç., [2003], “Yapay Sinir Ağları”, Seçkin Yayınevi, Ankara.
[74] HAYKIN, S., [1994], “Neural Networks: A Comprehensive Foundation”, New
York, Macmillan College Publishing Company, 1994, ISBN 0-02-352761-7.
[75] SAĞIROĞLU, Ş., BEŞDOK, E., ERLER, M., [2003], “Mühendislikte Yapay Zeka
Uygulamaları-I Yapay Sinir Ağları”, Ufuk Yayınevi, Kayseri.
[76] GÜNDOĞDU, A., [2012], “Asenkron Motorlarda Moment Dalgalanmalarının
Sinirsel Bulanık Ağlar ile Azaltılması”, Doktora Tezi, Elazığ.
[77] ZHAO, J., YU, Y., [2011], “Brushless DC Motor Fundamentals”, MPS The
Future of Analog IC Technology, App. Note, AN047.
136
[78] (http://kisi.deu.edu.tr/aytac.goren/MAK3017/h7.pdf), Erişim Tarihi: 24.02.2015,
Sa: 17:17.
[79] ZRIBI, M., AL-ZAMEL, A., [2007], “Field-Weakening Nonlinear Control of a
Separately Excited DC Motor”, Hindawi Publishing Corporation Mathematical
Problems in Engineering, Volume 2007, Article ID 58410, 22 pages
doi:10.1155/2007/58410.
[80] (http://mimoza.marmara.edu.tr/~baris/dosyalar/MATLAB_Simulink.pdf), Erişim
Tarihi: 21.04.2015, Sa: 16:31.
[81] SAJIDUL QADIR, A.F.M., [2014], “Electro-Mechanical Modeling of Separately
Excited DC Motor & Performance Improvement using different Industrial Controllers
with Active Circuit Realization”, International Conference on Mechanical, Industrial
and Energy Engineering 2014 26-27 December, 2014, Khulna, BANGLADESH.
[82] KUO, B.C., [2014], “Otomatik Kontrol Sistemleri”, Yedinci Baskı, Sayfa: 175211, Literatür Yayıncılık, İstanbul.
[83] SIEKLUCKI, G., [2012], “Analysis of the Transfer-Function Models of Electric
Drives with Controlled Voltage Source”, PRZEGLA˛D ELEKTROTECHNICZNY
(Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 7a/2012.
[84] YILDIZ, T., [2009], “Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Modellenmesi ve
Kontrolü”, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Sakarya.
[85] PILLAY, P., KRISHNAN, R., [1989], “Modelling, Simulation and Analysis of
Permanent Magnet Motor Drives: Part 1, 2”, IEEE Trans. on Ind. Applications, 25, 2,
pp. 265-279.
[86] JOHNS, T.M., SOONG, W.L., [1996], “Pulsating Torque Minimization
Techniques for Permanent Magnet AC Motor Drives”, IEEE Transactions on
Industrial Elecronics, 43, 2, pp. 321-329.
[87] PRASAD, G. et al., [2012], “Modelling and Simulation Analysis of the Brushless
DC Motor by using MATLAB”, International Journal of Innovative Technology and
Exploring Engineering (IJITEE) ISSN: 2278-3075, Volume-1, Issue-5, October.
[88] AWADALLAH, M. A. et al., [2009], “Adaptive Deadbeat Controllers for
Brushless DC Drives Using PSO and ANFIS Techniques”, Journal of Electrical
Engineering, Vol. 60, No. 1, 2009, 3–11.
[89] SHAYEGHI, H. et al., [2013], “Speed and Current Controllers Design of BLDC
Motor Using SNR Optimization Technique”, International Research Journal of
Applied and Basic Sciences © 2013 Available online at www.irjabs.com, ISSN 2251838X / Vol, 4 (1): 99-106 Science Explorer Publications.
137
138
ÖZGEÇMİŞ
Ad Soyad: Hüseyin Cem BAYRAKTAR
Doğum Yeri ve Tarihi: İstanbul – 1971
E-Posta: [email protected]
Lisans: Yıldız Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Mühendisliği
Bölümü (1992).
Mesleki Deneyim ve Ödüller:
Özel şirketlerde şantiye ve bakım mühendislikleri, teknik öğretmenlik.
139